银河系超大质量的神秘黑洞,是如何被捕捉到的?

2022-05-13 20:39:46

大西洋月刊介绍了周四发布的第一张位于银河系中心的超大质量黑洞的照片。虽然天文学家已经在2019年率先发布了邻近星系的黑洞照片,但这次捕捉的难度更大,因为黑洞本身是不可见的,且在银行系黑洞周围的物质变化速度更快。

人马座A*黑洞照片。EHT Collaboration, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

我们生活在银河系一条旋臂的内边缘,在漆黑一片中,旋臂是一条闪闪发光的曲线。沿着一个方向行进数千光年,经过无数的恒星、行星和卫星,你就会到达银河系的外边缘。在那里,我们星系的最后一部分让位给了星系间介质无垠的静谧。

沿着另一个方向行进大约同样的距离,经过更多的恒星、行星和卫星,穿过闪闪发光的尘埃云,你会到达银河系的中心,这是宇宙中最神秘的地标之一。

这是人类历史上第一次,你不必再去空想它的样子。天文学家利用强大的望远镜,将我们的感知延伸到深不可测的距离,制作了一张宇宙明信片:第一张位于银河系中心的超大质量黑洞的照片。

请看人马座A*,作为一个天体,质量相当于400万个太阳,但可以在离太阳最近的行星水星的轨道上自如运行。

这幅图像来自一个横跨四大洲的射电望远镜网络的观测结果,它是一个名为“视界望远镜”项目的一部分。这是天文学家第二次如此细致地捕捉到这些天体。第一张图片于2019年大张旗鼓地发布,拍摄的是附近星系梅西耶87 (Messier 87,简称M87)中心的超大质量黑洞。

梅西耶87黑洞照片。Event Horizon Telescope, uploader cropped and converted TIF to JPG, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

早在一个多世纪前,爱因斯坦就预言了黑洞的存在,这是一个虚空中看不见的点,引力会扭曲空间的结构。而如今我们终于有了一张黑洞的照片证据。

那张梅西耶87黑洞照片标志着科学领域的巨大成就。但是人马座A*的这一张,感觉有点不同,更特别。天文学家认为,超大质量黑洞位于大多数大星系的中心,这意味着宇宙中充满了这些黑洞。但这个离我们最近。这个是我们星系的。

“我不认为我对M87有情感依恋,”费雷尔·厄齐尔告诉我,他是亚利桑那大学的天体物理学家,参与视界望远镜项目的研究。厄齐尔职业生涯的大部分时间都在研究人马座A*,试图理解其独特性质和怪异之处。她说,这次,“我觉得明白了。”

然而,我们并没有真正看到人马座A*,实际上没有。

天文学家不能照出我们这些非天文学家认为的真实的照片,因为从定义上讲,黑洞是不可见的。所以今天发布的照片并没有显示黑洞本身,只是天文学家捕捉到了人马座A*的剪影。这张照片显示了这个密度极高的黑洞在其周围旋转的炽热气体上投下的阴影。和M87的黑洞一样,人马座A*就像一个甜甜圈。

事实上,它与天文学家在华盛顿特区举行的新闻发布会上提供的水果丹麦酥,有着惊人的相似之处。

天文学家在2017年春天进行了观测,产生了这幅图像。八台地面望远镜连续几天对天空进行了扫描,夏威夷和智利各有两台,亚利桑那州、墨西哥、西班牙和南极洲各有一台。这些观测结果存储在数百个计算机磁盘驱动器中,然后被运往美国和德国的实验室。在那里,科学家们像考古学家一样仔细研究这些数据,清除噪音,发掘超大质量黑洞的信号。他们遵循了类似的过程来描绘M87黑洞的样子,这个黑洞在2017年的同一观测中被发现。

但描绘人马座A*就难多了。M87的超大质量黑洞,比人马座A*的质量大1500倍,这意味着它周围的宇宙物质运行相当缓慢,闪烁的频率以天为单位。厄齐尔告诉我,较小的人马座A*周围的物质移动更快,在几个小时甚至几分钟内就会发生变化,这使得周围环境更难捕捉。

最重要的是,尽管人马座A*距离地球只有2.7万光年(当你考虑到M87中的黑洞距离地球5500万光年时,“只有”这个词非常合适),但我们星系的超大质量黑洞更难观测到。厄齐尔表示:“我们正在观察我们和银河系中心之间的一切,而对于M87,我们正在向外看,远离银河系。我们所在位置和银行系中心之间的所有宇宙物质,都可能导致来自星系中心的光在数据中出现扭曲。我们必须真正理解这种效果,并从图像中正确地剔除它”。

这张新图像进一步证明了银河系中心的超大质量天体就是黑洞。爱因斯坦在1916年发表了预测此类天体存在的理论,但第一次真正的观测活动直到20世纪70年代才开始。在那十年里,天文学家在银河系中心发现了一个神秘的、致密的无线电发射源,看起来像是一个黑洞。

“但当时没有多少人相信我们,”研究人马座A*的马克斯·普朗克地外物理研究所天体物理学家莱因哈德·根泽尔告诉我,但他没有参与最新的研究。

银河系和太阳的位置。EHT Collaboration, CC BY 4.0 , via Wikimedia Commons

要证明这个银河系中心的神秘物体没有其他解释,就是黑洞,还需要几十年的额外研究。近年来,由根泽尔和加州大学洛杉矶分校天体物理学家安德里亚·盖兹领导的团队捕捉到了一些离黑洞最近的恒星的细节,从我们的角度来看,这些恒星似乎在太空中一个看不见的点上疯狂地摆动。2020年,根泽尔和盖兹共同获得了诺贝尔物理学奖,因为他们为银河系中心黑洞的存在提供了最令人信服的证据。

研究人员发现,银河系中心是一个奇怪的地方。例如,他们惊讶地发现,聚集在人马座A*附近的大多数恒星都是年轻的,而不是年老的,这一发现与天文学家对恒星形成的所有了解背道而驰。

“这意味着这些恒星一定是在非常靠近黑洞的地方形成的,”加州大学洛杉矶分校研究银河系中心的天文学家图安·多(Tuan Do)告诉我。

但是人马座A*“在这个区域产生了巨大的引力,所以形成恒星的气体云应该在这个区域被撕裂。”也许在很久以前,数千万年前,黑洞被一个旋转的气体圆盘所环绕,旋转的速度如此之快,以至于它的小块燃烧成了恒星。那种环境今天已经消失了。就超大质量黑洞而言,人马座A*被认为是相对安静的”。

安静并不意味着无聊。尽管爱因斯坦的理论导致了黑洞的发现,科学家们仍然不知道我们所理解的重力规则是否适用于这样极端的、不可知的条件。2019年的结果显示,黑洞边界(Event Horizon,也叫事件视界)的阴影如预测的那样是球形的。

但盖兹告诉我,“我们最好的理论仍然不够用”。

天文学家们仍然不知道黑洞内部发生了什么,即过了“不归点”之内的情况(注:事件视界在黑洞周围延伸,又称为“不归点”,在这个界限之内,连光都无法逃出黑洞的引力)。

她说,“黑洞代表了我们对引力如何起作用的理解,彻底崩溃。”

一些证据表明,即使在我们宇宙邻域的这个非常奇怪的部分,恒星也可以承载行星,它们的世界是由独特的混乱环境塑造的。加州大学伯克利分校研究银河系中心恒星形成的天体物理学家杰西卡·陆(Jessica Lu)告诉我:“我们确实在银河系中心看到了双星系统,这意味着尽管有黑洞的强大潮汐力和混乱的环境,两颗恒星还是能够保持在一起。因此,也许行星也能形成和生存。”

在银河系中心,将我们的太阳与其最近的恒星邻居隔开的几光年空无一物的地方,会充满恒星。而在银河系中心的夜空中,这些恒星会显得像满月一样明亮。图安·多说:“我们可以在合理的时间内访问它们,而我们的恒星可能会有被另一颗恒星撞击的危险。我们可能都会成为天文学家,因为我们会更关心天空中发生的事情。”

对盖兹来说,人马座A*的新照片是对天体物理学的重要贡献,这是她在像科学家一样思考时的回答。当她花点时间以另一种更感性的方式考虑这项工作时,她对“作为人类,我们是如此有限和渺小,却能对如此巨大的事物有这种理解”心存感激。

不仅如此,她还觉得与这位黑洞有某种亲缘关系。她说:“我喜欢说,我们的银行系,而不是叫银河系,这里是我们的家。”
 

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