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銀河系中心黑洞首張照片來了！黑洞照片怎么拍的？

2022-05-12 23:20:32
字體：大 中 小
來源：中國科普博覽
供稿：網友
就在剛剛，人類首張銀河系中心黑洞照片，新鮮出爐。
銀河系中心黑洞的首張照片！（EHT合作組織提供）

5月12日21:07，在包括上海在內的全球各地同時召開的新聞發布會上，天文學家向人們展示了位于我們銀河系中心的超大質量黑洞的首張照片！

這張照片由事件視界望遠鏡（EHT）合作組織這個國際研究團隊，通過分布在全球的射電望遠鏡組網“拍攝”而成。

看到這張銀河系中心黑洞照片，我們都感覺非常興奮，因為距離2019年4月10號人類首張黑洞照片發布，已經過去了3年。而今，這張寶貴的照片又為我們提出了更多的問題，等待我們去探索和發現。

問題一：銀心黑洞質量更大，距離地球更近，第一張黑洞的照片為什么不是銀心黑洞？
自從2019年看到人類首張黑洞照片（M87中心黑洞照片），人們對于自己的銀河系中心黑洞的照片念念不忘，一直銘記心中。

在2017年拍攝之后，先是2年之后的2019年，得到了距離我們5500萬光年的M87的黑洞照片，這是我們唯一一次清楚看到黑洞的樣子。相比較銀河系黑洞而言，M87黑洞有極大的優勢，它的轉動軸只有17度，幾乎是沿著它的轉軸方向去看，所以幾乎沒有什么遮擋，所以我們就相對比較容易地看到了M87黑洞的照片。
M87中心黑洞照片（EHT合作組織提供）

銀河系的超大質量黑洞位于銀河系中心，是我們自己星系的超大質量黑洞?？隙ㄓ腥藭X得，既然就在咱們身邊，拍起來難道不是更容易嗎？

實際上，正如那句詩說的，“不識廬山真面目，只緣身在此山中” 。雖然這個黑洞位于銀河系的中心，我們自己卻處于銀河系內部，拍起來更不容易。

我們借助于光學之外的射電和紅外波段，以及其他的星系，逐漸地認識了我們的星系。雖然我們銀河系本身的黑洞（被稱為Sgr. A*）離得近，但是因為遮擋的緣故，數據處理起來是更困難的，也更加費時，所以，“拍照”需要更多的時間。

不過，等待也讓這張照片的發布更加激動人心，因為這是我們自己銀河系中心的黑洞照片！這也是EHT合作組織繼2019年發布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于更遙遠星系M87中央黑洞（M87*）之后的又一重大突破。

問題二：這張銀心黑洞照片怎么拍的？跟M87星系中心黑洞照片的拍攝相比，有哪些新手段？
眾所周知， M87幾乎是處于轉軸的方向，而我們是處于銀盤之上，所以與M87相比較來說，銀心黑洞在成像時會受到很多的遮擋。比如，在光學波段去觀察銀河系時，我們會看到很大的塵埃等氣體的遮擋，這個時候就必須利用波長更長的紅外或射電波段。目前成熟的是毫米波和亞毫米波波段，也就是視界面望遠鏡，值得一提的是，它利用全球不同的亞毫米和毫米波望遠鏡組成了一個陣列，口徑可以達到上萬公里。

這張照片與2019年所拍攝的M87的照片非常類似，都是利用全球8個不同的毫米波望遠鏡，或者簡稱為event horizon telescope來拍攝的。

這個龐大的望遠鏡組合分別為：位于智利的ALMA(Atacma Large Milimiieter/Submeter Array，阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列 ), 位于南極的SPT(South Pole Telescope), 美國夏威夷的SMA(Submilleter Array), 墨西哥的LMT(Large Millimeter Array，大型毫米波望遠鏡 ), 位于美國夏威夷的JCMT(James Clerk Maxwell Telescope，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠鏡 )，位于西班牙的IRAM（IRAM 30-m telescope）, 位于智利的APEX（Atacama Pathfinder EXperiment，阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡 ），和美國亞利桑那州的SMT（Submillimeter Telescope）。

值得一提的是，美國夏威夷的JCMT望遠鏡，是中國參與運行的一個望遠鏡，不少中國科學家應該是在這里進行的觀測。很遺憾的是，目前紅外觀測能夠達到的最大直徑是上百米，比如歐洲南方天文臺的VLT/gravity，觀測直徑可以達到130米，但是距離公里的口徑量級還是相差很大，希望我們在未來可以利用紅外波段能夠看到黑洞的照片。
圖片為銀河系各個波段的照片，自上而下能量逐漸增加，從毫米波到伽馬射線

我們知道，銀河系的黑洞大約只有400萬倍太陽質量(根據2020年諾獎結果)，而M87的黑洞達到了65億倍太陽質量，前者比后者小了1650倍。

從大小上而言，銀河系中心的黑洞明顯稍微小一些，但是銀河系中心的黑洞的拍攝難度更大一些，這是因為，銀河系中心的黑洞的質量要比M87小很多，距離要近很多，所以周圍物質變化的可能性要大很多。相比觀測M87的黑洞的情況而言，原本好幾天時間里的變化，現在變成了在幾分鐘左右內就會發生，所以觀測難度更大。比如說，為了這張照片，科學家們專門開發了新的的復雜工具來考慮Sgr A*的氣體。

問題三：跟M87星系中心黑洞照片相比，有哪些不同，有哪些新的信息？
因為單獨觀測難度很大，所以此次看到的銀河系中心黑洞（Sgr A*）的照片是研究團隊花費了好多時間提取出不同照片，再進行平均后的效果。

這也是最終第一次將隱藏在我們銀河系中心的黑洞照片呈現出來。

我們可以回想一下上次照片的時間：2017年開始拍攝，2019年我們就得到了M87中心黑洞的照片。

然而，一直到5年之后，科學家們用超級計算機合成和分析數據，對黑洞模擬數據庫與觀測結果進行嚴格比對，才讓我們第一次看到銀河系中心黑洞的照片。感謝科學家們的智慧和辛勤工作，帶我們看到了前所未有的畫面！

問題四：銀心黑洞只不足銀河系的0.0005%，為什么能夠束縛住數千億顆恒星呢？
如果從銀河系的結構來看，銀河系的結構可以分為銀核（包括黑洞在內）、銀盤和銀暈三個部分；從質量來看，銀河系中心的大黑洞質量還不到銀河系質量的0.0005%；而從銀河系核心的角度而言，銀河系黑洞僅僅是銀河系核球的一部分。

那么，究竟是什么樣的力量將銀河系的千億顆恒星固定在一個有限的范圍之內呢？所有可見的物質是怎么聚集的呢？

其實，這個問題在上個世紀初的時候就有人提出了。

天體物理學家茲威基（Fritz Zwicky）測量了后發座星系團的恒星，結果發現了暗物質的存在。因為茲威基的性格很不受大家喜歡，所以盡管這個概念是對的，但是沒有受大家重視。

一直到了1970年，年輕的魯賓（Verin Rubin）和她的導師福特（Kent Ford）先后對仙女星系中星體旋轉速度做了研究。利用高精度的光譜測量技術，他們可以探測到遠離星系核區域的外圍星體繞星系旋轉速度和距離的關系。根據牛頓定律，如果星系的質量主要集中在星系核區的可見星體上，星系外圍的星體的速度將隨著距離而減小。但觀測結果表明，在相當大的范圍內，星系外圍的星體的速度是恒定的。這意味著，星系中可能有大量的不可見物質并不僅僅分布在星系核心區，且其質量遠大于發光星體的質量總和。

現在我們已經知道，不可見物質（暗物質）的質量大約比可見質量要重10倍左右，而且幾乎絕大多數的星系都是如此。

這也就是前面那個問題的答案了，盡管我們銀心的黑洞只是如此小的質量，但是在暗物質的幫助之下，卻可以束縛住千億顆恒星！

問題五：這張照片的拍攝對研究有什么意義？
在發布會召開前，可能很多人在聽到銀河系中心黑洞照片時，期待的是看到《星際穿越》電影當中的黑洞相似的樣子，然而結果卻并非如此。
《星際穿越》中黑洞的形象（圖片來源于《星際穿越》）

這是因為，我們看到的是黑洞很近的部分，如果相對比較遠的話，那么就會看到類似于《星際穿越》電影當中的景象。

無論如何，相比較之前的M87,這張照片更顯得親近，因為這是我們自己星系黑洞的照片，而且它的拍攝難度更大。

讓我們再一次感謝所有的科學工作者，感謝我們中國參與這項研究的科學家們，讓我們一睹銀河系中心黑洞的樣子，天文探索，永不止步！

出品：科普中國

作者：茍利軍 中國科學院國家天文臺

監制：中國科普博覽

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