人类首张银河中心超大黑洞照片公布-技术圈

来源：机器之心
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银河系中心比我们想象的更活跃。

5 月 12 日晚，在世界各地同时举行的新闻发布会上，天文学家们公布了银河系中心超大质量黑洞的第一张照片。

这一结果提供了压倒性的证据，证明我们所在的星系中心确实是一个黑洞，并为此类巨星的运行提供了有价值的线索。一直以来，人们认为大多数星系的中心均存在巨型黑洞。该图像由一个名为事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）的全球研究团队，使用来自全球多处的 11 台射电望远镜网络观测形成结果。

这就是银河系中心黑洞的第一张图像：

它是位于银河系中心的超大质量黑洞人马座 A*（Sagittarius A*，或简称 Sgr A*），在可见光波段下被银河系旋臂的宇宙尘埃遮蔽。

「事件视界望远镜」阵列将地球上现有的八个射电天文台连接在一起，形成一个单一的「地球级」虚拟望远镜。「事件视界」是黑洞的边界，光线无法逃脱。虽然我们看不到事件视界本身，因为它不能发光，但围绕黑洞运行的发光气体揭示了一个明显的特征：一个黑暗的中心区域（称为「阴影」），周围环绕着一个明亮的环状结构。

EHT 团队的研究结果昨天发表在《天体物理杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）的特刊上：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6674

新视图捕捉到了被黑洞强大引力扭曲的光线，Sgr A* 黑洞的质量是太阳的 400 万倍。

人马座 A * 是什么？

人马座 A * 是是银河系中心的超大质量黑洞，直径约为 2200 万英里，是一个强大的无线电波源。

它在 1974 年首次被发现，但一直以来，科学家都无法对其进行成像。或许，本次发布的新照片能帮助天文学家研究银河系中心周围吸积和流出的特性，还将进一步推动黑洞物理学基础研究。

2020 年的诺贝尔物理学奖就授予了因在银河系中央发现超大质量天体的德国科学家赖因哈德 · 根策尔和美国科学家安德烈娅 · 盖兹，英国科学家罗杰 · 彭罗斯因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果而同时获奖。

自上世纪 90 年代初以来，根策尔和盖兹分别领导一个科研小组，用各种先进望远镜观测银河系中央「人马座 A *」区域。他们发现了一个质量巨大且不可见的天体：在不超过太阳系的空间中聚集了约 400 万个太阳的质量，使周边恒星急速旋转。这一开创性工作提供了迄今为止最令人信服的证据，即银河系中央有一个超大质量的黑洞。

距离我们大约 27000 光年的人马座 A * 靠近人马座（射手座）和天蝎座（天蝎座）的边界，也就是上面银河系图像中那条黑色的、尘埃分布的轨迹上。

然而，刚刚发布的黑洞照片提供了它的第一个直接视觉证据。如下面银河系中心的标记地图所示，上面标有人马座 A* 的确切位置：

事件视界望远镜如何「看」到黑洞

对于大众来说，这次黑洞照片的拍摄者事件视界望远镜 (EHT) 并不算陌生，它使用全球射电天文台网络来创建一个望远镜，等效口径等同于地球大小。

人马座 A * 黑洞的最终图像是团队使用 EHT 在世界各地的 11 台望远镜提取的不同图像的平均值：

因为黑洞距离地球大约 2.7 万光年，因此在我们看来它在天空中的大小与月球上的甜甜圈差不多。为了对其进行成像，EHT 将地球上现有的八个射电天文台连接在一起，形成一个单一的「地球大小」的虚拟望远镜多天观察人马座 A*，连续数小时收集数据，类似于在相机上使用长时间曝光。

这一突破是在 EHT 合作于 2019 年发布第一张 M87 星系超大质量黑洞图像之后发布的，后者位于更遥远星系的中心位置。

2019 年，EHT 发布了首张位于室女座的超巨椭圆星系 M87 中心的黑洞图像。它揭示了一个明亮的环状结构，其中有一个黑暗的中心区域——黑洞的阴影。

2019 年，人类拍到的第一张黑洞照片。

从地球上看，它是第二大黑洞，大约是银河系黑洞的 1000 倍，但距离要远 2000 倍。

这张初始图像在 2021 年更新了一版，包括 M87 黑洞周围的偏振光：

EHT 合作拍摄的两个黑洞看起来非常相似，尽管银河系的黑洞比 M87* 小一千多倍，质量也小一千多倍。

M87 * 虽然更大，但距离我们比 Sgr A * 更远，因为 M87 黑洞较活跃，所以此前科学家们优先选择 M87 成像。但从这次的结果来看，银河系黑洞反而更加特别，三个高亮区域表明银河系黑洞的吸积盘非常不稳定，物质密度有明显差异，也有可能刚发生过剧烈扰动。

EHT 科学委员会联合主席、理论天体物理学教授 Sera Markoff 说道：「这是两种完全不同类型的星系和截然不同的黑洞质量，但在靠近这些黑洞边缘的地方，它们看起来惊人地相似。这种现象告诉我们，这些物体受到广义相对论约束，我们观察到的差异是由黑洞周围物质导致的。」

新的成就比 M87 黑洞困难得多，尽管 Sgr A* 离我们更近。亚利桑那大学 Steward 天文台、天文学系数据科学研究所的 EHT 科学家 Chi-kwan Chan 解释说：「黑洞附近的气体以相同的速度移动——几乎和光一样快。但在较大的 M87* 中，气体需要数天到数周才能绕行一圈，而在小得多的 Sgr A* 周围，轨道完成一圈只需几分钟。这意味着 Sgr A* 周围气体亮度和形态在 EHT 观察时正在迅速变化——有点像试图拍一张小狗快速追逐自己尾巴的清晰照片。」

为此，研究人员必须开发复杂的新工具来解释 Sgr A* 周围的气体。Sgr A* 黑洞的图像是该团队获取不同图像的平均值，最终首次揭开了潜伏在银河系中心巨人的面纱。

EHT 协作组织中来自世界各地 80 个研究所的 300 多名研究人员共同完成了这项工作。该团队为此工作五年，使用超级计算机来组合和分析数据，同时编译了一个全新的模拟黑洞库以与观测结果进行比较。

下方四图展示了三个呈现环状结构的图像子集的平均图像，和一个非环状结构的图像子集的平均图像。柱状图表示属于每个子集的图像的相对数量，其高度代表了每个子集对最终照片的相对贡献。

「这项工作清楚地表明了使用无线电、毫米和亚毫米频率来了解宇宙中最极端环境的重要能力，」NRAO 北美 ALMA 科学中心 (NAASC) 负责人 Tony Remijan 表示。「使用这些频率范围是揭示黑洞周围独特环境的唯一方法，这些环境在其他频率下完全被遮盖。添加 ALMA 对观察也很重要，因为它提供了必要的灵敏度，可明确地进行观察。结合来自世界各地设施的所有数据——以 ALMA 作为所有这些设施的锚点——提供了进行这些类型发现所需的灵敏度和分辨率。这仅仅是个开始。ALMA 计划在未来十年大幅提高灵敏度，在宇宙中还有很多事物等待我们发现。」

科学家们对于获得两个尺度极端不同黑洞的图像非常兴奋，这提供了比较和对比的机会。人们已开始使用新数据来测试气体如何在超大质量黑洞周围运动的理论和模型。这一过程尚未完全获得解释，但被认为在塑造星系的形成和演化方面发挥着关键作用。

「现在我们可以研究这两个超大质量黑洞之间的差异，以获得有关这一重要过程如何运作的有价值的新线索，」台北「中央研究院」天文与天体物理研究所的 EHT 科学家 Keiichi Asada 说道。「我们有两个黑洞的图像——一个在宇宙中超大质量黑洞的大端，一个在小端——因此我们可以比以往更进一步地测试重力在这些极端环境中的表现。」

EHT 的发现仍在继续：2022 年 3 月的一次重大观测活动动用了比以往更多的望远镜。EHT 网络的持续扩展和重大的技术升级将使科学家们在不久的将来分享更令人印象深刻的图像，甚至黑洞短视频。

参考内容：

https://public.nrao.edu/news/astronomers-reveal-first-image-of-the-black-hole-at-the-heart-of-our-galaxy/