銀河系中心的黑洞“甜甜圈”

海量黑洞照片匯總示意圖不知道喜愛星空的朋友們聽說沒有，天文圈最近爆出了一個足以載入史冊的大新聞！

北京時間2022年5月12日21：00，科學家們在世界上7個不同地方同時召開新聞發(fā)布會，公布了首張銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的“證件照”！人類歷史上第一次看到了銀河系中心的真容。

銀河系中心黑洞的首張照片

看到這張照片，你的第一反應是不是覺得自己眼花了？告訴大家，這就是科學家向全世界發(fā)布的銀河系中心黑洞的原圖，如假包換！原來銀河系中心黑洞的照片，看起來就像是個“烤壞了的甜甜圈”嘛！但就是這么一個平淡無奇的“甜甜圈”，卻是利用世界上一大堆最先進的望遠鏡，經(jīng)過300多位科學家5年多的共同努力才得到的。下面我們就從三個方面給大家講講這個“甜甜圈”背后的科學知識。

美味的甜甜圈面包

黑洞“甜甜圈”為什么長這樣？

不是說黑洞因為引力巨大，任何光線都逃不出它的掌心嗎？又怎么能拍出照片來呢？實際上，我們的確看不到黑洞本身，但卻可以看到環(huán)繞黑洞周圍的氣體所發(fā)出的光。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，黑洞周圍氣體的光，被黑洞附近強大的引力場彎曲，最后能夠到達我們地球的光線，會呈現(xiàn)為一個明亮的環(huán)狀結構，而被明亮光環(huán)包圍著的暗弱區(qū)域，稱為黑洞“陰影”。

黑洞周圍光線偏折 成像過程示意圖

當然啦，示意圖最后呈現(xiàn)的完美圓形陰影+光環(huán)的組合，只是最簡單的黑洞模型下最理想的情況。在實際中，由于黑洞自身和它周圍物質(zhì)的復雜情況，傳播路徑中的干擾，再加上觀測儀器和數(shù)據(jù)處理的局限，最終得到的就是你看到的“烤壞了的甜甜圈”了。

雖然如此，但萬變不離其宗，黑洞基本的“長相”就這樣啦，都會隱約看到陰影被亮環(huán)包著的“甜甜圈”形狀。人類史上第一張黑洞照片，M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞照，也長得差不多。

M87星系中心黑洞的照片

黑洞“甜甜圈”是怎么拍出來的？

銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞距離地球2.6萬光年，銀河系中心密密麻麻的天體和塵埃，遮蔽散射了黑洞附近的光。此外，在地球上看來，銀河系中心的黑洞在夜空中的范圍小之又小，需要足夠高的分辨率才能辨別。

所以，科學家并不是用我們熟悉的光學望遠鏡，而是使用毫米波/亞毫米波望遠鏡來觀測。單臺望遠鏡不夠，還需要把許多臺望遠鏡組合起來，變成一個望遠鏡陣列，利用一種叫做VLBI（甚長基線干涉）的技術，同時進行觀測，相當于組網(wǎng)變成了一個超大口徑的望遠鏡，這個望遠鏡的口徑幾乎有地球的直徑那么大！

拍攝銀河系中心黑洞的望遠鏡陣

2017年4月的5天里，共有8臺望遠鏡在同一時段按下“快門”，采集了黑洞的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被送往美國和德國的兩個數(shù)據(jù)中心，進行復雜的運算處理。拍照片的時間并不長，但“洗照片”的時間卻遠超科學家的設想。

其中最大的一個困難是由于繞著黑洞的氣體運動速度快，導致黑洞看起來在不停地變化。就好像給活潑好動的寶寶拍滿月照，很難抓到清晰好看的正臉。各個望遠鏡數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)一致同樣需要費些腦筋。

為了解決遇到的各種問題，上百名科學家組成不同小組，利用不同的方法和模型對數(shù)據(jù)進行處理分集，最終花費了5年時間，才將數(shù)千張使用不同成像方法得到的圖像平均起來，生成了最終所發(fā)布的第一張照片。參與數(shù)據(jù)處理的很多科學家曾有想要放棄的念頭，但最終他們堅持了下來。

海量黑洞照片匯總示意圖

科學家從數(shù)千張圖像最終“洗出”黑洞照片

黑洞“甜甜圈”到底有多重要？

2020年諾貝爾物理學獎獲得者

不知大家是否記得，2020年的諾貝爾物理學獎其實就是跟銀河系中心的黑洞有關。當時一半的獎金頒給了賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲，“以表彰他們發(fā)現(xiàn)銀河系中心有一個超大質(zhì)量的致密物體”。這里之所以說是致密物質(zhì)而沒直接說黑洞，就是因為兩位科學家其實都是用間接的方法確定了銀河系中心的超大質(zhì)量天體。而這次發(fā)布的照片，則給出了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)！并再一次證明了廣義相對論的正確。

銀河系示意圖

太陽系在銀河系中的位置示意圖

時空彎曲凹陷想象圖

人類首次揭開銀河系中心黑洞真容，無疑是一個嶄新的開始，人類依靠科技的力量再次將不可能變成了可能。

作為距離人類最近的超大質(zhì)量黑洞，未來還會有更多的望遠鏡加入到對它的觀測研究中來，后續(xù)還將通過偏振觀測數(shù)據(jù)來研究黑洞周圍的磁場。更多深入全面的觀測數(shù)據(jù)，也會對理論模型進行更好的修正，揭開更多銀河系中心未知的秘密。讓我們一起期待吧！

（本文摘編自中國數(shù)字科技館微信公眾號）