黑洞能拍“彩照”嗎？揭秘人類第二張黑洞照片

　　中新網(wǎng)上海5月13日電 題：黑洞能拍“彩照”嗎?揭秘人類第二張黑洞照片

　　中新網(wǎng)記者 鄭瑩瑩

　　北京時(shí)間5月12日晚21時(shí)許，全球多地天文學(xué)家聯(lián)合揭曉了人類“拍攝”到的第二張黑洞照片——位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞“人馬座A*(Sgr A*)”的首張照片。

　　第二張黑洞照：依然像“甜甜圈”

　　一般而言，人們是無(wú)法看到黑洞的，因?yàn)樗淌闪怂械墓?電磁波)。但如果在黑洞周圍打上光(“光”指：周圍氣體發(fā)出的輻射)，就可以看到黑洞的陰影。陰影的大小直接正比于黑洞的質(zhì)量。

　　大約3年前，也就是2019年4月，事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope，EHT)合作組織發(fā)布了人類首張黑洞照片——距離地球5500萬(wàn)光年的M87中央黑洞(M87*)的照片。

　　此次銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的照片，則是人類擁有的第二張黑洞照片。為了拍這張照片，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)猶如地球般大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡由分布在全球六地的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成。

　　從外觀上看，第二張黑洞照片跟首張黑洞照片相似，依舊像個(gè)橙紅色的“甜甜圈”。

　　中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員江悟解釋說(shuō)，根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言，黑洞周圍發(fā)射的氣體光線，受到黑洞強(qiáng)大引力的彎曲，最后所有這些能到達(dá)觀測(cè)設(shè)備的光線，會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，中心是一個(gè)黑暗區(qū)域。因此，從外觀上看，它就像一個(gè)“甜甜圈”。

　　左：2019年4月面世的人類首張黑洞照片;右：2022年5月出爐的第二張黑洞照片。原圖來(lái)源于EHT合作組織 攝

　　為何第二個(gè)“甜甜圈”比第一個(gè)更模糊?

　　細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩張黑洞照片看似相同，實(shí)則有差。比如，“高光”區(qū)域不同，這是因?yàn)椴煌牧炼却磔椛鋸?qiáng)度的高低。

　　另外，盡管耗時(shí)更久(在首張黑洞照片出爐3年后，第二張黑洞照片方才面世)，但第二個(gè)“甜甜圈”比第一個(gè)“甜甜圈”更模糊。

　　其實(shí)，銀河系中心的黑洞距離地球近些，之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，江悟解釋，是因?yàn)樵诘厍蚝豌y河系中心之間存在大量的氣體和塵埃，這部分氣體和塵埃對(duì)來(lái)自銀河系中心的電磁波輻射，會(huì)產(chǎn)生散射效應(yīng)，“簡(jiǎn)單地說(shuō)，可能會(huì)對(duì)銀河系中心圖像產(chǎn)生‘模糊和放大’的效果，所以我們需要到更短的毫米波里去成像?！?/p>

　　對(duì)于銀河系中心的黑洞成像，還有一個(gè)更大的挑戰(zhàn)是，銀河系中心黑洞的快速“時(shí)變”。這就好比，如果拍靜物，攝影師能輕松捕捉，但如果拍快速運(yùn)動(dòng)的物體，就很考驗(yàn)攝影師的技術(shù)。

　　來(lái)自斯圖爾德天文臺(tái)、亞利桑那大學(xué)天文系和數(shù)據(jù)科學(xué)所的EHT科學(xué)家Chi-kwan Chan解釋：“氣體繞轉(zhuǎn)M87*一周需要幾天到數(shù)周時(shí)間;但對(duì)于相對(duì)小很多的Sgr A*來(lái)說(shuō)，氣體幾分鐘內(nèi)即可繞轉(zhuǎn)它一周。這意味著在EHT觀測(cè)后者時(shí)，該超大質(zhì)量黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案在時(shí)刻快速變化著。有點(diǎn)像要給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片”。

　　銀河系有幾個(gè)黑洞?

　　這次拍攝的黑洞，是銀河系中心一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森說(shuō)，實(shí)際上，銀河系里邊有很多恒星級(jí)的黑洞，但超大質(zhì)量的、質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量幾百萬(wàn)倍的黑洞，只有這一個(gè)。

　　黑洞陰影和周圍環(huán)繞的新月般光環(huán)非常小，在拍照設(shè)備能力有限的情況下，要想拍攝到黑洞的照片，毫無(wú)疑問(wèn)，天文學(xué)家們希望找到一個(gè)看起來(lái)角直徑足夠大的黑洞作為對(duì)象。

　　而銀河系中心的這個(gè)黑洞和M87中央黑洞，正是事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)合作組織在2017年觀測(cè)期間發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

　　兩個(gè)黑洞“甜甜圈”一樣大嗎?

　　從兩張黑洞的照片來(lái)看，大小很相近。而其實(shí)人類首張黑洞照片，來(lái)自距離地球5500萬(wàn)光年的遙遠(yuǎn)星系M87;這次第二張黑洞照片來(lái)自銀河系中心，距離地球約2.7萬(wàn)光年。距離相差這么遠(yuǎn)，為何呈現(xiàn)的黑洞“甜甜圈”看上去差不多大呢?

　　其實(shí)，這跟黑洞的大小也有關(guān)系，第一張照片的黑洞的質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍，第二張照片的黑洞的質(zhì)量約是太陽(yáng)質(zhì)量的430萬(wàn)倍。

　　中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)解釋，大的天體距離地球遙遠(yuǎn)，小的天體距離我們近，“就好比，我們看到月亮滿月時(shí)，大小跟太陽(yáng)差不多。其實(shí)它們的大小差了400倍左右，與地球的距離也差了400倍左右?！?/p>

　　下一步給黑洞“拍電影”

　　事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)是一個(gè)以直接觀測(cè)星系中心超大質(zhì)量黑洞在事件視界尺度上的結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)的國(guó)際合作項(xiàng)目，吸引全球科學(xué)家的參與。第二張黑洞照片中，在中國(guó)大陸，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭組織了17位來(lái)自7個(gè)單位的科研人員參與合作。

　　EHT的科研目標(biāo)不僅在于證明黑洞的存在，更要了解更多黑洞相關(guān)的物理性質(zhì)。作為EHT合作的中國(guó)國(guó)內(nèi)協(xié)調(diào)人，沈志強(qiáng)介紹，EHT計(jì)劃拍攝一部銀河系中心黑洞的“電影”，“現(xiàn)在我們只是‘拍’到一幀一幀靜止的畫面，將來(lái)希望能連續(xù)‘拍攝’長(zhǎng)時(shí)間的‘電影’。上海天文臺(tái)正在規(guī)劃建設(shè)中國(guó)的亞毫米波VLBI(VLBI：甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量)望遠(yuǎn)鏡，以期參與到對(duì)Sgr A*的24小時(shí)不間斷的接力觀測(cè)中?！?/p>

　　可以給黑洞拍彩色照片嗎?

　　目前的兩張黑洞照片都是一個(gè)色系的，且是單色的。那么黑洞有辦法“超越”熊貓，拍出彩色照片來(lái)嗎?

　　對(duì)此，南京大學(xué)教授李志遠(yuǎn)表示，給黑洞拍彩色照片，雖然在原則上可行，但技術(shù)上目前還有限制。因?yàn)椴煌ǘ蔚姆直媛士赡懿顒e會(huì)很大，現(xiàn)在的毫米波、亞毫米波已被證明是最能提供高分辨率細(xì)節(jié)的波段，如果要將“拍攝”推廣到其他波段，不是現(xiàn)有的儀器所能做到的。

　　雖然彩照短期內(nèi)無(wú)望，但雙色或許可能。李志遠(yuǎn)介紹，(EHT)也在計(jì)劃推動(dòng)更多波段的“拍攝”，比如推進(jìn)更高頻率波段的觀測(cè)。

　　更多迷你“甜甜圈”

　　事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)在2018年已經(jīng)增加了3個(gè)新的(射電望遠(yuǎn)鏡)臺(tái)站，目前正在分析2018年和2021年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，整理2022年新的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

　　未來(lái)，Sgr A*和M87*仍是EHT最重要的科學(xué)目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)正在探究它們?nèi)绾坞S時(shí)間變化，希望獲得更清晰的圖像。

　　EHT還將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)其他目標(biāo)源，制作更多“甜甜圈”。因?yàn)槠渌疤鹛鹑Α备阅?，所以需要更高的角分辨率，需要建設(shè)空間望遠(yuǎn)鏡，以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。(完)