黑洞將它的秘密緊緊捂在懷里。他們把投入懷中的所有都牢牢禁錮住。即使是光，也無法逾越黑洞的引力牢籠。
這樣來看，黑洞理應(yīng)是看不見的 —— 因此拍下它的照片也是不可能的。不過，在 2019 年，天文學(xué)家們發(fā)布第一張黑洞圖像，并且大張旗鼓地進(jìn)行了宣傳。之后，在 2022 年春天，天文學(xué)家公布了另一張黑洞照片 —— 這次是在我們銀河系中心的黑洞。
這張照片展示了一個(gè)橙色的類似甜甜圈的斑點(diǎn)，看起來與早先在梅西耶 87 星系中心拍攝到的黑洞非常相似。但實(shí)際上，銀河系的人馬座 A * 中的黑洞比梅西耶 87 的黑洞要小得多，而且更難看到，因?yàn)樗枰高^銀河系的朦朧圓盤進(jìn)行觀測。因此，盡管天文學(xué)家們對(duì)人馬座 A * 中的黑洞的觀測是與對(duì)梅西耶 87 星系的黑洞是同一時(shí)間開始進(jìn)行的，但是我們還是多花了三年的時(shí)間才繪制出這幅圖像。這個(gè)項(xiàng)目需要數(shù)百名天文學(xué)家、工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家的國際合作，并開發(fā)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)算法，從原始數(shù)據(jù)中拼出圖像。
黑洞，被定義為一個(gè)被稱為事件視界內(nèi)的空間區(qū)域，而這些“照片”顯然并沒有直接展示出黑洞樣貌。這些照片實(shí)際上記錄了圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的扁平熱等離子體，這一部分也被稱為吸積盤。等離子體由高能帶電粒子組成。當(dāng)?shù)入x子體在黑洞周圍旋轉(zhuǎn)時(shí)，加速粒子發(fā)射出無線電波。圖像中模糊的橙色環(huán)是由分散在地球各地的 8 臺(tái)望遠(yuǎn)鏡 (統(tǒng)稱為事件視界望遠(yuǎn)鏡 (Event Horizon Telescope, EHT)) 捕捉到的無線電波精心重建而成的。
這些黑洞的圖像講述了來自銀河系中心的無線電波史詩般的旅程，提供了人馬座 A * 中黑洞前所未有的細(xì)節(jié)。這幅圖像也構(gòu)成了“廣義相對(duì)論最重要的視覺證明之一”，這也是我們目前最好的引力理論，阿姆斯特丹大學(xué)的天體物理學(xué)家、EHT 合作項(xiàng)目的成員塞拉?馬爾科夫 (Sera Markoff) 說。
對(duì)于人馬座 A * 這樣的超大質(zhì)量黑洞的研究將幫助科學(xué)家們更全面地了解星系是如何隨著時(shí)間的推移而進(jìn)化的，以及這些星系是如何在宇宙中聚集成巨大的星團(tuán)的。
從銀河之眼眺望
人馬座 A * 黑洞比 2019 年拍攝到的梅西耶 87 黑洞小 1600 倍，與地球之間的距離也近了 2100 倍左右。這意味著這兩個(gè)黑洞在天空中看起來大小差不多。臺(tái)北中央研究院天文與天體物理研究所 EHT 項(xiàng)目科學(xué)家杰弗里?鮑爾表示，從地球上觀察人馬座 A * 的黑洞所需的分辨率與在地球上拍攝月球表面的橙子所需的分辨率相同。
我們的星系中心離我們有 26000 光年遠(yuǎn)，所以收集來制作黑洞照片的無線電波是在已知最早的人類建造永久定居點(diǎn)之一的時(shí)候發(fā)射的。當(dāng)無線電波第一次從黑洞吸積盤的粒子中發(fā)射出來時(shí)，它們的旅程就開始了。在向地球發(fā)射的各類電磁波中，波長約為 1 毫米的輻射相對(duì)來說沒有受到星系氣體和塵埃的干擾。對(duì)于波長短得多的電磁波，比如可見光，電磁波就會(huì)被塵埃散射。如果波長進(jìn)一步增加，那么這些電磁波就會(huì)被帶電的等離子體云彎曲，從而扭曲圖像。
最后，經(jīng)過 26000 年的長途跋涉，這些電磁輻射被 EHT 捕捉，并被分布在我們星球上的無線電觀測站記錄下來。天文臺(tái)之間巨大的地理距離對(duì)收集并分析這些數(shù)據(jù)至關(guān)重要 —— 這使得研究人員能夠通過一種稱為干涉測量法的過程檢測到每個(gè)地點(diǎn)收集的無線電波之間極其細(xì)微的差異。這些微小的差異被用來推斷每一束無線電波從源頭至觀察者之間傳播距離的更加細(xì)微的差異。利用計(jì)算機(jī)算法，科學(xué)家們成功地解碼了無線電波的路徑長度差異，以重構(gòu)發(fā)射它們的物體的形狀。
研究人員再將所有這些收集到的數(shù)據(jù)上色，形成一張形象化的照片，其中橙色代表高強(qiáng)度電磁輻射信號(hào)，黑色代表低強(qiáng)度電磁輻射信號(hào)。任教于亞利桑那大學(xué)的富爾維奧?梅利亞 (Fulvio Melia) 是一名研究銀河系超大質(zhì)量黑洞的天體物理學(xué)家，他解釋說:“每臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡只能接收到黑洞發(fā)射的電磁信號(hào)的一小部分。由于我們無法收集到黑洞發(fā)射出來的所有電磁信號(hào)，因此在這張照片中，我們看到的不是一張清晰的照片，而是一些有點(diǎn)模糊的圖像。”
這張照片有助于揭示更多關(guān)于黑洞事件視界的信息。事件視界是任何物體接近黑洞而不被吸入的最近點(diǎn)。在事件視界之內(nèi)，連光都無法逃脫黑洞。
從人馬座 A * 的黑洞圖像中，科學(xué)家們已經(jīng)能夠更加精確地估計(jì)事件視界的大小，并推斷出黑洞的吸積盤與銀河系相比傾斜了 40 多度。所以，在“照片”中，我們看到的是黑洞吸積盤傾斜角度的投影，而不是它邊緣。
但是，即使黑洞的吸積盤平行于銀河系，也就是說我們能正對(duì)著觀察到吸積盤的邊緣，黑洞的引力也會(huì)扭曲它周圍的空間，以至于從黑洞背面發(fā)射的光會(huì)彎曲著射向地球。因此，不管吸積盤相對(duì)于地球的取向是怎么樣的，它在照片中都會(huì)形成一個(gè)環(huán)狀圖像。那么，科學(xué)家是如何判斷黑洞吸積盤的取向的呢？因?yàn)閷?shí)際上我們得到的照片中，黑洞發(fā)射環(huán) (emission ring) 的大部分都是圓的。如果我們是正對(duì)著黑洞的邊緣進(jìn)行觀察的話，那么這個(gè)發(fā)射環(huán)的照片會(huì)顯得更扁，更長。
馬爾科夫認(rèn)為，這種觀察銀河系中心的新能力將有助于填補(bǔ)我們對(duì)星系演化和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的理解空白。一個(gè)密度大、質(zhì)量大的物體，比如星系中心的黑洞，會(huì)影響附近恒星和塵埃的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響星系隨時(shí)間的變化。黑洞的特性，比如它旋轉(zhuǎn)的方向，取決于它與恒星或其他黑洞碰撞的歷史?！昂芏嗳丝粗炜眨J(rèn)為天空是靜止的，對(duì)吧? 但事實(shí)并非如此。這是一個(gè)正在進(jìn)化的巨大生態(tài)系統(tǒng)。”
到目前為止，這幅圖像與科學(xué)家們的預(yù)期精準(zhǔn)的吻合，這一事實(shí)使它成為對(duì)當(dāng)前物理學(xué)理論的重要證實(shí)。鮑爾說:“我們二十年來的預(yù)測告訴我們將會(huì)看到這種規(guī)模的環(huán)狀圖片。但是，眼見為實(shí)?！?/p>
作者：Katie McCormick
翻譯：*0
審校：九一
原文鏈接：What the image of the Milky Way’s black hole really shows
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Katie McCormick
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