隨著銀河系中心黑洞人馬座A*的第一張直接圖像的公布，參與這一觀測(cè)項(xiàng)目的科學(xué)家們也透露了關(guān)于這個(gè)超大質(zhì)量黑洞的更多信息。
美聯(lián)社(www.apnews.com)援引參與到該項(xiàng)目天文學(xué)家們的描述稱，這張圖像并沒(méi)有顯示出一個(gè)貪婪的宇宙毀滅者，而更像是一個(gè)“溫和的巨人”，正在近乎忍饑挨餓地節(jié)食。圖像也證實(shí)了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論——黑洞的大小正如愛(ài)因斯坦方程所規(guī)定，大小與水星繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道相近。
2022年5月12日，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織(Event Horizon Telescope Collaboration，以下簡(jiǎn)稱“EHT”)發(fā)布了銀河系中心的一個(gè)黑洞——人馬座A*的直接圖像。它的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的400萬(wàn)倍，距離地球約2.6萬(wàn)光年。這幅圖像是由世界各地8個(gè)同步射電望遠(yuǎn)鏡收集數(shù)據(jù)后加工而成。
科學(xué)家們此前曾觀測(cè)到銀河系中心的恒星圍繞著一些看不見(jiàn)的、致密的、質(zhì)量極大的物體運(yùn)行。這張圖像提供了它的第一個(gè)直接的視覺(jué)證據(jù)。“現(xiàn)在我們有直接的證據(jù)表明這個(gè)物體是一個(gè)黑洞，”哈佛史密森天體物理學(xué)中心的天體物理學(xué)家薩拉·伊紹恩（Sara Issaoun）在德國(guó)加興舉行的新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)。
在這一突破之前，EHT合作小組于2019年發(fā)布了位于更遙遠(yuǎn)的梅西耶87星系中心的一個(gè)名為M87*的黑洞的第一張圖像。
現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，黑洞的引力極其強(qiáng)大，能夠吞噬一切物質(zhì)，“時(shí)空曲率大到光都無(wú)法從其事件視界逃脫。”但參與此觀測(cè)項(xiàng)目的美國(guó)亞利桑那大學(xué)的天體物理學(xué)家費(fèi)雷爾.厄齊爾（Feryal Özel）向美聯(lián)社表示說(shuō)，人馬座A* 黑洞“吃得很少”。據(jù)另一位參與項(xiàng)目的天文學(xué)家表示，這相當(dāng)于“一個(gè)人在幾百萬(wàn)年里吃了一粒米。”
科學(xué)家們?cè)A(yù)計(jì)，相對(duì)梅西耶87星系中的黑洞而言，銀河系的黑洞會(huì)更猛烈，但天文與天體物理科學(xué)家杰弗里·c·鮑爾（Geoffrey C. Bower）說(shuō)，圖像顯示“這是一只膽小的黑洞獅子，”鮑爾同時(shí)表示，由于人馬座黑洞“處于饑餓狀態(tài)”，只有很少的物質(zhì)落入黑洞中心，這使得天文學(xué)家能夠觀察得更深入。
“這個(gè)環(huán)的大小與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)是如此的一致，這讓我們很驚訝。這些觀測(cè)前所未有，極大地提高了我們對(duì)銀河系中心發(fā)生的事情的理解，并為這些巨大的黑洞如何與周圍環(huán)境相互作用提供了新的啟示。”鮑爾說(shuō)。
歷時(shí)5年的數(shù)據(jù)匯編成果
此次銀河系中心黑洞人馬座A*的圖像成像數(shù)據(jù)收集于5年前。據(jù)《自然》（www.nature.com）的報(bào)道，2014年，荷蘭奈梅亨大學(xué)的天體物理學(xué)家海諾·法爾克（Heino Falck）、美國(guó)馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)的謝普·杜爾曼（Shep Doeleman）和來(lái)自世界各地的團(tuán)體聯(lián)合，成立了EHT合作組織。他們?cè)?017年進(jìn)行了第一次跨越地球的觀測(cè)活動(dòng)。在2017年4月的五個(gè)晚上，EHT團(tuán)隊(duì)使用了全球八個(gè)不同天文臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)收集了銀河系的黑洞人馬座A *、以及更遙遠(yuǎn)的梅西耶87星系中心的一個(gè)名為M87*的黑洞的數(shù)據(jù)。
從西班牙到南極，從智利到夏威夷——每個(gè)觀測(cè)站收集的數(shù)據(jù)都比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)一年收集的數(shù)據(jù)還要多。數(shù)據(jù)最后加起來(lái)將近4pb (1pb=1000tb)，量大得以至于無(wú)法通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，最后不得不儲(chǔ)存在硬盤中，通過(guò)空中、海上和陸地傳輸，然后在德國(guó)波恩的馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所（Max Planck Institute for Radio Astronomy）和位于韋斯特福德的麻省理工學(xué)院干草堆天文臺(tái)（Haystack Observatory ）進(jìn)行匯編。
2019年，EHT研究人員首先公布了M87*黑洞的圖像，這是關(guān)于黑洞存在的第一個(gè)直接證據(jù)，但人馬座A*的數(shù)據(jù)分析起來(lái)更具挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)?，繞M87*旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)團(tuán)發(fā)出的輻射在短時(shí)間內(nèi)基本上是恒定的，而圍繞人馬座A*的物質(zhì)團(tuán)可以在EHT每天觀察的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速變化。“在M87*黑洞，我們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)團(tuán)在一周內(nèi)幾乎沒(méi)有變化，”海諾·法爾克說(shuō)， “但物質(zhì)團(tuán)圍繞人馬座變化的時(shí)間跨度為5到15分鐘。”
由于這種可變性，EHT團(tuán)隊(duì)生成的人馬座A*的圖像不止一張，而是數(shù)千張，日前公布的這張圖像是大量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理的結(jié)果。位于西班牙格拉納達(dá)的安達(dá)盧西亞天體物理研究所的EHT成員何塞.戈麥斯（José Gómez）說(shuō):“我們將它們平均起來(lái)，強(qiáng)調(diào)共同的特征。”費(fèi)雷爾.厄齊爾表示，該項(xiàng)目的下一個(gè)目標(biāo)是拍攝黑洞的“影片”，以了解其更多物理特性。
在分析數(shù)據(jù)的同時(shí)，EHT團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬，與收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，并得出結(jié)論。人馬座A*可能沿著大致指向地球的軸線旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，何塞.戈麥斯說(shuō)。
美國(guó)馬里蘭州格林貝爾特NASA-戈達(dá)德太空飛行中心的天體物理學(xué)家雷吉娜·卡普托(Regina Caputo)表示:“讓我震驚的是，我們看到了它的正面。”此前，卡普托合作過(guò)的美國(guó)宇航局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)檢測(cè)到銀河系中心上方和下方的巨大發(fā)光特征，這可能是由人馬座A*在過(guò)去的劇烈活動(dòng)期間產(chǎn)生的。不過(guò)，這些被稱為“費(fèi)米氣泡”（ Fermi bubbles）的特征，似乎要求物質(zhì)從地球上看是繞著黑洞側(cè)面旋轉(zhuǎn)，而不是正面。
如何用地球大小的望遠(yuǎn)鏡尋找黑洞
1970年代，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了人馬座A*黑洞存在的第一個(gè)跡象，當(dāng)時(shí)射電天文學(xué)家在銀河系的中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個(gè)看似點(diǎn)狀的射電源。
這個(gè)光源異常暗淡，比普通恒星還要暗。研究者通過(guò)跟蹤恒星圍繞人馬座A*的軌道進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，射電源的質(zhì)量和密度如此之大，只可能是一個(gè)黑洞。（最近的測(cè)量結(jié)果表明，它的質(zhì)量是太陽(yáng)的415萬(wàn)倍，誤差為0.3%。）這個(gè)研究成果讓美國(guó)天文學(xué)家安德里亞·蓋茲（Andrea Ghez）和德國(guó)天體物理學(xué)家萊茵哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
由于星系中的塵埃和氣體，科學(xué)家們無(wú)法通過(guò)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀察到人馬座A*。但從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，海諾·法爾克和其他人意識(shí)到，黑洞的陰影可能剛好大到可以用無(wú)線電短波成像，而無(wú)線電短波可以穿透黑洞的面紗。但研究人員計(jì)算，要做到這一點(diǎn)，需要一個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡。幸運(yùn)的是，干涉測(cè)量技術(shù)（interferometry）可以提供幫助。它需要將多個(gè)距離遙遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)物體，這些望遠(yuǎn)鏡就像是一個(gè)大圓盤的碎片。
天文學(xué)家們第一次嘗試用干涉測(cè)量法觀測(cè)人馬座A*時(shí)，使用的是相對(duì)較長(zhǎng)的7毫米無(wú)線電波，由于觀測(cè)站之間相隔幾千公里，最后能看到的只是一個(gè)模糊的點(diǎn)。
其后，世界各地的團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了技術(shù)，翻新改造了一些主要的天文臺(tái)，以便把它們加入到聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)中。特別地，謝普·杜爾曼領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組利用了南極望遠(yuǎn)鏡，以及位于智利的價(jià)值14億美元的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)來(lái)完成這項(xiàng)工作。2008年，杜爾曼的團(tuán)隊(duì)還使用更有技術(shù)難度的1.3毫米波長(zhǎng)進(jìn)行了首次觀測(cè)。
希望未來(lái)能發(fā)現(xiàn)黑洞的噴流
EHT在2018年收集了更多數(shù)據(jù)，但他們?nèi)∠?019年和2020年的觀測(cè)活動(dòng)。團(tuán)隊(duì)在2021年和2022年恢復(fù)觀測(cè)，并再次改進(jìn)了觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，使用了更精密的儀器。
位于圖森的亞利桑那大學(xué)的EHT成員Remo Tilanus說(shuō)，在今年3月份，該小組最新觀測(cè)記錄的信號(hào)速度是2017年的兩倍，這應(yīng)該有助于提高最終圖像的分辨率。
研究人員還希望發(fā)現(xiàn)人馬座A*黑洞是否有噴流。許多黑洞，包括M87*，都顯示出了兩束向相反的方向快速噴射的物質(zhì)，這或許是由于內(nèi)落氣體的劇烈加熱造成。銀河中心上方和下方的熱物質(zhì)云表明，人馬座A*在過(guò)去可能有巨大的噴流。它的噴射流現(xiàn)在或許弱得多，但它們的存在仍然可以揭示銀河系歷史的重要細(xì)節(jié)。
“這些噴流可以抑制或誘導(dǎo)恒星的形成，它們可以改變化學(xué)元素的位置，并影響整個(gè)星系的演化，”法爾克說(shuō)，“我們現(xiàn)在正研究噴流發(fā)生的位置。”
標(biāo)簽： 人馬座A
