隨著銀河系中心黑洞人馬座A*的第一張直接圖像的公布，參與這一觀測項目的科學(xué)家們也透露了關(guān)于這個超大質(zhì)量黑洞的更多信息。
美聯(lián)社(www.apnews.com)援引參與到該項目天文學(xué)家們的描述稱，這張圖像并沒有顯示出一個貪婪的宇宙毀滅者，而更像是一個“溫和的巨人”，正在近乎忍饑挨餓地節(jié)食。圖像也證實了愛因斯坦的廣義相對論——黑洞的大小正如愛因斯坦方程所規(guī)定，大小與水星繞太陽運行的軌道相近。
2022年5月12日，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織(Event Horizon Telescope Collaboration，以下簡稱“EHT”)發(fā)布了銀河系中心的一個黑洞——人馬座A*的直接圖像。它的質(zhì)量大約是太陽的400萬倍，距離地球約2.6萬光年。這幅圖像是由世界各地8個同步射電望遠(yuǎn)鏡收集數(shù)據(jù)后加工而成。
科學(xué)家們此前曾觀測到銀河系中心的恒星圍繞著一些看不見的、致密的、質(zhì)量極大的物體運行。這張圖像提供了它的第一個直接的視覺證據(jù)。“現(xiàn)在我們有直接的證據(jù)表明這個物體是一個黑洞，”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）在德國加興舉行的新聞發(fā)布會上說。
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星系中心的一個名為M87*的黑洞的第一張圖像。
現(xiàn)代廣義相對論中，黑洞的引力極其強大，能夠吞噬一切物質(zhì)，“時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫。”但參與此觀測項目的美國亞利桑那大學(xué)的天體物理學(xué)家費雷爾.厄齊爾（Feryal Özel）向美聯(lián)社表示說，人馬座A* 黑洞“吃得很少”。據(jù)另一位參與項目的天文學(xué)家表示，這相當(dāng)于“一個人在幾百萬年里吃了一粒米。”
科學(xué)家們曾預(yù)計，相對梅西耶87星系中的黑洞而言，銀河系的黑洞會更猛烈，但天文與天體物理科學(xué)家杰弗里·c·鮑爾（Geoffrey C. Bower）說，圖像顯示“這是一只膽小的黑洞獅子，”鮑爾同時表示，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。
“這個環(huán)的大小與愛因斯坦廣義相對論的預(yù)測是如此的一致，這讓我們很驚訝。這些觀測前所未有，極大地提高了我們對銀河系中心發(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。
歷時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）、美國馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)的謝普·杜爾曼（Shep Doeleman）和來自世界各地的團體聯(lián)合，成立了EHT合作組織。他們在2017年進行了第一次跨越地球的觀測活動。在2017年4月的五個晚上，EHT團隊使用了全球八個不同天文臺的射電望遠(yuǎn)鏡，觀測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——每個觀測站收集的數(shù)據(jù)都比大型強子對撞機一年收集的數(shù)據(jù)還要多。數(shù)據(jù)最后加起來將近4pb (1pb=1000tb)，量大得以至于無法通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送，最后不得不儲存在硬盤中，通過空中、海上和陸地傳輸，然后在德國波恩的馬克斯·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（Haystack Observatory ）進行匯編。
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直接證據(jù)，但人馬座A*的數(shù)據(jù)分析起來更具挑戰(zhàn)性。這是因為，繞M87*旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)團發(fā)出的輻射在短時間內(nèi)基本上是恒定的，而圍繞人馬座A*的物質(zhì)團可以在EHT每天觀察的幾個小時內(nèi)迅速變化。“在M87*黑洞，我們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)團在一周內(nèi)幾乎沒有變化，”海諾·法爾克說， “但物質(zhì)團圍繞人馬座變化的時間跨度為5到15分鐘。”
由于這種可變性，EHT團隊生成的人馬座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)過處理的結(jié)果。位于西班牙格拉納達的安達盧西亞天體物理研究所的EHT成員何塞.戈麥斯（José Gómez）說:“我們將它們平均起來，強調(diào)共同的特征。”費雷爾.厄齊爾表示，該項目的下一個目標(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，EHT團隊進行了超級計算機模擬，與收集到的數(shù)據(jù)進行了比較，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)的方向為逆時針，何塞.戈麥斯說。
美國馬里蘭州格林貝爾特NASA-戈達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，卡普托合作過的美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)檢測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*在過去的劇烈活動期間產(chǎn)生的。不過，這些被稱為“費米氣泡”（ 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*黑洞存在的第一個跡象，當(dāng)時射電天文學(xué)家在銀河系的中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個看似點狀的射電源。
這個光源異常暗淡，比普通恒星還要暗。研究者通過跟蹤恒星圍繞人馬座A*的軌道進行計算發(fā)現(xiàn)，射電源的質(zhì)量和密度如此之大，只可能是一個黑洞。（最近的測量結(jié)果表明，它的質(zhì)量是太陽的415萬倍，誤差為0.3%。）這個研究成果讓美國天文學(xué)家安德里亞·蓋茲（Andrea Ghez）和德國天體物理學(xué)家萊茵哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎。
由于星系中的塵埃和氣體，科學(xué)家們無法通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀察到人馬座A*。但從20世紀(jì)90年代開始，海諾·法爾克和其他人意識到，黑洞的陰影可能剛好大到可以用無線電短波成像，而無線電短波可以穿透黑洞的面紗。但研究人員計算，要做到這一點，需要一個地球大小的望遠(yuǎn)鏡。幸運的是，干涉測量技術(shù)（interferometry）可以提供幫助。它需要將多個距離遙遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡同時對準(zhǔn)同一個物體，這些望遠(yuǎn)鏡就像是一個大圓盤的碎片。
天文學(xué)家們第一次嘗試用干涉測量法觀測人馬座A*時，使用的是相對較長的7毫米無線電波，由于觀測站之間相隔幾千公里，最后能看到的只是一個模糊的點。
其后，世界各地的團隊改進了技術(shù)，翻新改造了一些主要的天文臺，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)的一個小組利用了南極望遠(yuǎn)鏡，以及位于智利的價值14億美元的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)來完成這項工作。2008年，杜爾曼的團隊還使用更有技術(shù)難度的1.3毫米波長進行了首次觀測。
希望未來能發(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年的觀測活動。團隊在2021年和2022年恢復(fù)觀測，并再次改進了觀測網(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，在今年3月份，該小組最新觀測記錄的信號速度是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，并影響整個星系的演化，”法爾克說，“我們現(xiàn)在正研究噴流發(fā)生的位置。”
標(biāo)簽： 人馬座A
