黑洞长什么样子,银河系中心黑洞的首张照片公布

抬头仰望星空,那片璀璨的银河不知震撼了多少人的心灵。然而,千年以来,人们不知道的是与看得见的恒星一同存在于这片夜空的还有许多看不见的致密天体——黑洞。直到近几十年来,科学家才发现神秘的黑洞是真实存在的。

在银河系中,潜藏着上千万个甚至上亿个黑洞,这些黑洞的质量基本是太阳质量的数倍到数十倍。但最令人惊奇的是,在银河系的最中心是一个质量约为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。天文学家是如何一步步发现这个“引力怪兽”的存在的,让我们回到近100年前……

一个谜团  

上世纪30年代初,卡尔·央斯基(Karl Jansky)正在使用他自己制作的旋转天线进行一项实验。他的任务是寻找可能干扰无线电传输的来源。在分析了所有收集到数据后,他发现大部分干扰源来自雷暴,但同时他也探测到了源头不明的微弱而稳定的嘶嘶声。进一步的研究表明,这个来源不明的信号实际上来自人马座的方向,也就是银河系的中心。

这个谜团到了50年代变得更加扑朔迷离,当时天文学家发现越来越多非常明亮的射电源散布在宇宙各处,位于其他星系的中心。然而,在可见光波段下,这些星系看起来就像是非常微弱的恒星,因此被命名为“类星体”,意为“类似恒星的天体”。

1963年,这个谜团开始浮出水面。当时,天文学家马丁·施密特(Maarten Schmidt)计算出了类星体3C 273的距离非常非常遥远。通过将距离与从地球上看到的视亮度相结合,科学家意识到3C 273在射电波段发出了异常明亮的光芒,释放出的能量是包含千亿颗恒星的银河系的1000多倍。

类星体如何产生如此大的能量?一种解释是,在类星体的中心存在着一个超大质量黑洞,黑洞在吞噬周围的物质时会加热这些物质并释放出巨大的能量。然而,“可能的解释”是不够的,科学需要证据。天文学家想知道如何证明超大质量黑洞确实是类星体的“隐形引擎”。

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类星体。(图/Crafoordprize)

黑洞以其强大的引力而闻名。因此,天文学家不禁想,为什么不追踪类星体附近的恒星或气体云的轨迹呢?这是一个伟大的想法,但有一个缺陷——类星体距离我们太遥远了,我们无法直接观测到在它们周围运行的恒星或气体云。因此,天文学家不得不把目光聚焦在位于更近星系中的射电源上,虽然这些射电源没有类星体中的那么强大。而若要论起“近”,有哪个星系能比我们所在的星系更近呢?

穿透尘埃  

所以天文学家把目光转向了银河系的中心和那里的恒星。但位于我们和银河系中心之间的那些厚厚的、巨大的星际尘埃云,给我们带来了麻烦。这些尘埃会吸收来自银河系中心的光,迫使天文学家放弃使用可见光,转而使用波长更长的红外和射电波——它们能够几乎不被削弱地穿过尘埃云。

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银河系中心区域,其中暗带是尘埃云,会阻挡可见光。(图/ESO, S. Guisard)

这正是查尔斯·汤斯(Charles Townes)和他的团队在20世纪70年代在伯克利所做的研究。当时,他们用红外光追踪了人马座A*周围的气体的运动,根据气体的绕中心旋转的速度,他们推测出银河系中心所包含的质量比太阳质量高出200万到400万倍之间。这很符合那里隐藏着一个超大质量黑洞的推测

这是一个惊人的结果,却不是最终的答案,因为还有两个问题仍然存在。首先,这一结果并不能保证引力是影响着观测到的气体轨道的唯一的力,磁场和恒星风也可能以类似于黑洞引力的方式扭曲轨道。第二,当时的技术无法让研究团队触及射电源的几光年之内,尽管这个尺度与星系尺度比起来很小,但却比超大质量黑洞大几百万倍。因此,我们不能排除或许是有其他天体影响了观测到的恒星和气体的轨道。我们需要更好的追踪和更近的距离,但这都需要新的技术。

追踪恒星  

90年代上半叶,两个天文学家团队分别观察了银河系中心周围的恒星轨道,一个是由根泽尔(Reinhard Genzel)领导的团队,另一个是由盖兹(Andrea M. Ghez)领导的团队。根泽尔的团队使用了智利的两个欧南台(ESO)设备——位于拉斯拉天文台的3.6米新技术望远镜(NTT)和几年后的甚大望远镜(VLT)。而盖兹的团队所使用的是位于夏威夷的10米凯克望远镜。

根泽尔用NTT的观测依赖于一种被称为斑点成像法的技术,这种技术使用非常短的曝光来冻结大气畸变。但这种技术的适用范围仅限于相对明亮的恒星,所以还需要另一种技术——自适应光学。在自适应光学中,一个薄薄的反射镜可以通过每秒变形数百次甚至数千次来纠正大气模糊。这需要实时监测一个明亮的参考源,这个参考源要么是视场内的真实恒星,要么是用激光在高空大气中制造的人造“恒星”。

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(图/Nobelprize)

利用自适应光学,根泽尔和盖兹的团队成功地看到了在距离人马座A*一光月之内以大约2000km/s的惊人速度运行的恒星,这是表明那里潜藏着一个非常致密、质量是太阳质量几百万倍的天体的另一个迹象。

还能收集到更令人信服的证据吗?答案是肯定,如果能够发现距离银心更近的恒星的话。

这样一颗被称为S2的恒星,最终还是被发现了,它距离人马座A*只有17光时,相当于海王星绕太阳公转轨道的4倍。结果证实,一个质量为几百万个太阳的天体集中在了一个行星尺度上,排除了许多超大质量黑洞的替代物的可能。到2002年,天文学家确信银河系中心最有可能存在的是一个超大质量黑洞。

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绕银河系中心黑洞运行的恒星。(图/ESO)

在接下来的几年里,天文学家追踪到了更多的恒星,观测了消失在视界之外的物质所发出的闪光,甚至“实时”目睹了一次气体云的命运——被黑洞引力撕裂。

但是,还有一件事是天文学家们不能错过的,那就是S2绕人马座A*的轨道运行一周需要16年的时间,在2018年,它将再次经过距离这颗黑洞最近的地方。由于黑洞是广义相对论所预言的,所以这是一次对检验广义相对论的宝贵机会。同时也能够收集到更多与关于人马座A*有关的信息。

不见不散  

为了充分利用这次机会,根泽尔的团队必须做到比用单个8米望远镜更高的清晰度。因此,他们决定使用ESO的甚大望远镜干涉仪(VLTI),它能将单个望远镜所收集的光结合在一起,提供了无与伦比的清晰度。他们与ESO一起建造了了GRAVITY,这是一个安装在VLTI上的第二代仪器,能够以极高的精确度定位恒星的位置。

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(图/NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello)

他们得到了惊人的结果。与此同时,研究团队还能够观测到与广义相对论的预测极为一致的效应。他们探测到了引力红移,即当恒星的光在黑洞的极端引力势中爬升时,会失去一部分能量,从而波长被拉伸得更长。他们还观察到了施瓦西进动,这是恒星围绕黑洞旋转的轨道,他们是通过比较这颗恒星在2018年和2002年的位置发现了这一点。

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施瓦西进动。为了便于观察,恒星轨道的进动效果被夸大了。(图/ESO)

因此,这就是全部吗?当然不是。

在接下来的几年里,团队进一步看向深处,发现了如S29等更暗淡的恒星。2021年5月底,S29以创纪录的速度8740 km/s和130亿千米的距离(90倍地日距离)抵达最接近黑洞的点。根据这些测量,研究人员能够对这个超大质量黑洞与我们的距离做出最精确的估计——26996光年,质量是太阳的429.7万倍。

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Gravity在2021年获得的图像。图中显示了非常k靠近人马座A*的恒星轨道,包括了S29和在VLTI新观测中首次被发现的S300。(图/ESO)

根泽尔和盖兹因也因他们对人马座A*所做的工作而荣获了2020年的诺贝尔物理学奖。

看见黑洞  

尽管我们对人马座A*已经越来越了解,但是我们还缺少一样东西:它的照片!为了给黑洞拍照,事件视界望远镜(EHT)合作项目组用干涉测量法连接了遍布全球的射电天文台,创建了一个地球大小的虚拟望远镜。2017年,EHT瞄准了两个目标:一个是位于M87星系中心的超大质量黑洞,另一个便是人马座A*。

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EHT是一台虚拟地球大小的射电望远镜。(图/NSF)

三年前,强大的EHT让我们看到了史上第一张黑洞图像。而今天,我们终于看到了属于我们星系中心的超大质量黑洞。尽管人马座A*比M87中心的黑洞小1000多倍,质量也比它小很多很多。但这两个在不同星系且具有非常不同质量的黑洞看起来非常相似。有了这两个图像,我们就可以更深入地测试引力在这些极端环境中的行为。

这次前所未有的观测也将极大地提升我们对银河系中心的理解,并为这些巨大的黑洞如何与周围环境相互作用提供新见解。

参考来源:

https://eventhorizontelescope.org

https://www.eso.org/public/blog/our-quest-for-sagittarius-a/

https://www.eso.org/public/images/eso1907o/

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