刷屏黑洞照片背后，有17名中國(guó)科學(xué)家

豐色 2022-05-13 13:55:34 來(lái)源：量子位

昨晚，一個(gè)“甜甜圈”在朋友圈和各大網(wǎng)站上刷屏了。

這就是銀河系中離我們最近的超大質(zhì)量黑洞的首張留影。

全世界300多名天文學(xué)家們（17位來(lái)自中國(guó)大陸）花了足足5年，才總算搞清楚它長(zhǎng)什么樣。

這一突破性成果在全球各地（包括上海）同時(shí)召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)公布于眾。

它除了視覺(jué)上“實(shí)錘”了上世紀(jì)70年代科學(xué)們就提出的“銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞”的推測(cè)，也為理解這種居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線索。

△ 銀河系中心

那么，它究竟如何而來(lái)，又為什么要花這么久？

離人類(lèi)最近的黑洞照片

很多人看到它的第一眼，都是怎么這么眼熟。

因?yàn)樗腿祟?lèi)拍到的第一張黑洞照片確實(shí)有點(diǎn)像。

人類(lèi)首張黑洞照片于2019年誕生，拍到的是離我們非常遙遠(yuǎn)的M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞，它來(lái)自河外星系的室女座星系團(tuán)，質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍，距離地球5500萬(wàn)光年。

現(xiàn)在這張照片里的黑洞離地球更近，拍攝過(guò)程也經(jīng)歷了更多困難，結(jié)果是通過(guò)數(shù)千張照片進(jìn)行分析取平均得來(lái)的。

它就處于銀河系最中心，學(xué)名叫“人馬座A”，距離地球僅2.7萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的400萬(wàn)倍，被認(rèn)為是*研究黑洞物理的最佳目標(biāo)。

人類(lèi)發(fā)現(xiàn)宇宙最大的恒星r136a1，質(zhì)量也只是太陽(yáng)的265-315倍。

至于為什么這兩個(gè)黑洞處于兩個(gè)完全不同的星系，但呈現(xiàn)的樣子卻差不多，科學(xué)家表示，這說(shuō)明黑洞周?chē)镔|(zhì)都被廣義相對(duì)論這種相同的物理過(guò)程控制。

黑洞作為一個(gè)看不見(jiàn)的致密天體，由恒星一路從白矮星、中子星演變而來(lái)，在1916年首次被德國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)。

在我們所處的銀河系中，就存在上億個(gè)黑洞，超質(zhì)量黑洞則有數(shù)百萬(wàn)個(gè)。

上世紀(jì)60年代，天文學(xué)家推測(cè)銀河系的中心存在著一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，作為類(lèi)星體產(chǎn)生巨大能量的“隱形引擎”。

類(lèi)星體，就是類(lèi)似恒星的星體，其射電源釋放出的能量是包含千億顆恒星的銀河系的1000多倍。

70年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系中心確實(shí)存在著存在致密射電核。

從90年代開(kāi)始，世界各地的科學(xué)家開(kāi)始就利用周?chē)暮阈沁\(yùn)動(dòng)測(cè)量其存在。

2020年，美國(guó)和德國(guó)三位科學(xué)家因?yàn)榇_立了黑洞可在廣義相對(duì)論理論框架下形成的理論，以及觀測(cè)到了這個(gè)與推測(cè)相符合的超大質(zhì)量致密天體，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

距離更近，為什么更難拍到？

黑洞雖然很大（直徑4400萬(wàn)公里），但離地球?qū)嵲谔h(yuǎn)。

為了一睹其真面目，2017年，國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織開(kāi)始將分布在包括南極在內(nèi)的不同地方的8臺(tái)毫米波望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)，組成相當(dāng)于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡（地球直徑1萬(wàn)2千多公里）進(jìn)行拍攝。

具體來(lái)說(shuō)，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏嫌涗洘o(wú)線電波到達(dá)的信號(hào)，并用高精度的原子鐘進(jìn)行同步。

有了來(lái)自不同觀測(cè)站望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們就能重建出一幅發(fā)生在數(shù)萬(wàn)光年之外的圖像。

大家可能還記得第一張黑洞照片也是這個(gè)組織拍到的。

不過(guò)它們都同時(shí)于2017年開(kāi)拍，為什么這個(gè)黑洞多花了3年？而且還在這個(gè)黑洞的距離離地球這么近的情況下。

原因其實(shí)有很多，比如：

1、相比M87星系中心黑洞的質(zhì)量太小，導(dǎo)致它周?chē)镔|(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度要快很多。這就導(dǎo)致原本好幾天時(shí)間里的變化，現(xiàn)在變成了在幾分鐘左右內(nèi)就會(huì)發(fā)生，所以觀測(cè)難度更大。

2、尺寸太小，導(dǎo)致其事件視界小而暗淡，對(duì)事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)提出了更高的要求。

所謂“事件視界”就是指黑洞中光線無(wú)法逃出的范圍，在“事件視界”之外的光線會(huì)被彎曲，但是有幾率逃出黑洞引力的“魔爪”，讓我們得以看見(jiàn)黑洞。

3、活躍度更低，此黑洞大概1000年才能吞噬一倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，開(kāi)疆?dāng)U土的效率僅是M87星系黑洞的百分之一。這就導(dǎo)致它的吸積盤(pán)光芒較弱，很難被望遠(yuǎn)鏡捕獲。

靠近黑洞的物質(zhì)落入其中之時(shí)，會(huì)形成像排水孔周?chē)粯拥匿鰷u，稱為吸積盤(pán)。在這個(gè)過(guò)程中，氣體因引力勢(shì)能得到釋放被加熱到幾百萬(wàn)度，發(fā)出強(qiáng)烈的光。

4、周?chē)h(huán)境的干擾更多，主要是此黑洞所在的銀河系中心區(qū)域，星光繚繞，塵埃密布，會(huì)遮擋射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)視線。

由此可見(jiàn)，這張照片的來(lái)之不易。

但這只是天文學(xué)家們未來(lái)研究中的一小步，EHT還將拍攝氣體繞轉(zhuǎn)黑洞的動(dòng)態(tài)過(guò)程，嘗試對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論進(jìn)行驗(yàn)證、探索黑洞周?chē)奈镔|(zhì)吸積和噴流的形成及傳播等等。

最后，需要提到的是，來(lái)自上海天文臺(tái)、華科大、上交大、中科大以及南京大學(xué)的我國(guó)17名科學(xué)家作為EHT的一員，也參與了這張照片的拍攝，負(fù)責(zé)了理論分析等方面的工作。

△ 圖源極目新聞

參考鏈接：
[1]https://weibo.com/tv/show/1042211:4768462845968423?from=old_pc_videoshow
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/zKNJBMqCNrF5GFPzQmEzfg