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最近公布的银河系中心黑洞首张照片 EHT合作组织 供图 |
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三年前公布的首张黑洞照片，后被加上的细线，表示轴子引起偏振角“跳舞”的律动 美国犹他大学 供图 |
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图/视觉中国 |
□克莉斯汀 5月12日晚，全球人民都看到了这张人类共享的位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。但它并不是人类获得的首张黑洞的照片——2019年我们看到的那张来自距离地球5500万光年外的“室女A”星系的M87中心黑洞照片，才是人类的首张黑洞照片。这次公布的黑洞照片之所以再次轰动全球，是因为它是来自离地球更近的、属于地球自身所在的银河系中心黑洞的照片。 或许你看到的这两张照片并没有什么太大不同，但在科学家的眼中，每一张都意义非凡。 人类精诚合作的成果 距离2019年4月10日人类的首张黑洞照片发布，已经过去三年。或许很多人都还记得当时的兴奋，得到这张照片的确相当不容易。 我们应该已经知道，黑洞是一片自身引力极强的时空区域，任何物体包括光都无法逃逸它的吸引，但黑洞并不发光，我们用肉眼观测是看不见黑洞的。正是因为它会不断“吞噬路过的光”，所以当我们用高密度射电干涉仪去探测时，就可能会发现黑洞的存在。人们正是将通过分布在地球各处的数个射电望远镜所观测并拍摄到的发光气体的影像，进行综合分析并重组后，才得到了黑洞的照片。 M87黑洞的照片与此次的银河系人马座A*黑洞照片，都是如此得到的。 不同的是，当年的M87远离地球，相对来说，因为转动轴相对较小，也没有太多星体阻挡观测视线；而人马座A*黑洞因离我们太近，反而会有很多观察障碍，要得到它的相关数据显然更加艰难。 目前科学家们给黑洞拍照用到的，就是被称作为事件视界望远镜（简称EHT）。它并不是单指某一台具体存在于某处的望远镜，而是包括了分布在世界各地的8台射电望远镜（包括有位于智利、南极、美国、墨西哥、西班牙等地的8台望远镜），联合收集数据并整合，构成的一台拍摄口径相当于地球直径的虚拟望远镜。其中，中国科学家主要参与运行了美国夏威夷的JCMT望远镜的观测工作。 所以，如今我们看到的每一张黑洞照片都是人类合作的成果。 探索太空能力再升级 黑洞的照片见证着全人类对太空探测能力的不断升级。 在上世纪70年代，科学家已观测到有众多的恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的和质量极大的天体作轨道运动。它其实就是如今被拍照的人马座A*的天体。但如何证明它的存在一直困扰着科学家们。 直到近年来在深空探测工程中的VLBI（甚长基线干涉测量，即合并几台小望远镜达到一架大望远镜的效果）技术不断创新，观测设备也在不断发展，科学家们才终于对人马座A*天体展开了一系列的高辨率观测。但相较于之前的M87星体，这一次的数据处理起来更困难，也更加费时。在光学波段去观察银河系时，我们会看到很大的尘埃等气体的遮挡，这个时候就必须利用波长更长的红外或射电波段；根据2020年获诺贝尔奖的一项研究结果，我们得知，银河系的黑洞大约只有400万倍太阳质量，而M87的黑洞达到了65亿倍太阳质量，银河系这个黑洞明显比M87小了1625倍，质量也要小很多，但由于距离也近了很多，所以原本观察M87时可能要好几天时间里才会出现的变化，在人马座A*这里就变成了在几分钟内就会发生，观测难度自然更大。所以科学家们又专门开发了新的复杂工具来考虑人马座A*周边气体的观测。 总之，正是在技术上的不断升级，最终达成了这项突破性的天文观测成果。这次成像结果可以说是为银河系中心超大质量黑洞的存在提供了最直接的证据，同时也在广义相对论前提下，充分证明了“天下黑洞一般黑”这种说法。 你看到“甜甜圈”，科学家看到了暗物质 根据牛顿定律，如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上，星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明，在相当大的范围内，星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着，星系中可能有大量的不可见物质（暗物质）并不仅仅分布在星系核心区，且其质量远大于发光星体的质量总和。最早提出证据并推断暗物质存在的科学家是美国加州工学院的瑞士天文学家弗里茨·兹威基。 当首张黑洞照片震撼全世界，也许大多数人看到的只是一个像甜甜圈的模糊图片，但科学家们都认为，这可能表示暗物质被发现并被拍到了实际存在的证据。这张黑洞阴影图片，的确为天文学研究带来了颇为丰富的信息。比如中国科学院理论物理研究所的舒菁团队，便联合国内外研究团队，利用偏振图像的变化，提出关于在黑洞附近有一种被称为轴子的新粒子和可见光子之间的耦合（耦合的作用就是把某一电路的能量输送或转换到其他的电路中去）。 当时M87的照片中“甜甜圈”状的结构，被认为是来自于黑洞周围吸积流的辐射——黑洞吞噬了中心区域的光线，于是在正中间形成了一个大阴影。两年后，EHT更新了一张照片，在原有基础上展示了更精细的结构——可以看到，黑洞在线偏振光下的图像犹如裱花图样的变化。科学家们认为，这些发现和照片给出了黑洞的最直接证据，揭示了M87外存在某种磁场，黑洞成像过程，也可看作是发现极轻粒子的“探针”——那些裱花图样的变化，就被认为是一种极轻的轴子存在，并且与可见光之间存在相互作用的表现。轴子就可能是一种暗物质。舒菁团队与合作者还在《物理评论快报》发文，指出EHT的偏振数据有望探索超轻质量轴子暗物质的存在，从而对粒子物理领域产生深刻的影响。 更多黑洞正在被发现 科学家们对黑洞的探索当然不会仅仅只是拍张照发朋友圈那么简单。它们可能会揭示天体的形成、生命的存在等更多秘密。 最近，天文学家还在邻近的仙女座星系中又发现了26个黑洞，加上之前发现的9个，使得仙女座星系中黑洞的总数上升为35个。这应该是在银河系之外所发现的最大黑洞集群。科学家们由此发现，仙女座星系中的黑洞数量远比银河系中心附近所发现的黑洞数量要多。他们猜测，仙女座星系核球部分应该也比银河系的要大。 新发现的大部分黑洞的质量大约都是太阳的5到10倍，而且这些黑洞应该都是由于大质量恒星死亡的结果。因为没有伴星，本身没有任何光线反射的黑洞更难以被发现。但是，有了EHT这样的利器，发现黑洞已不再是那么难的一件事。 目前人们已经发现，大部分星系中心都有超大质量黑洞。在第二张黑洞照片公布之后，应该还会有更多宇宙的秘密即将被揭开。
