刷屏黑洞照片背后 有17名中国科学家
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刷屏黑洞照片背后 有17名中国科学家

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昨晚,一个“甜甜圈”在朋友圈和各大网站上刷屏了。

这就是银河系中离我们最近的超大质量黑洞的首张留影。

全世界300多名天文学家们(17位来自中国大陆)花了足足5年,才总算搞清楚它长什么样。

这一突破性成果在全球各地(包括上海)同时召开的新闻发布会公布于众。

它除了视觉上“实锤”了上世纪70年代科学们就提出的“银河系中心存在一个超大质量黑洞”的推测,也为理解这种居于大多数星系中心的“巨兽”的行为提供了宝贵的线索。

银河系中心

银河系中心

那么,它究竟如何而来,又为什么要花这么久?

离人类最近的黑洞照片

很多人看到它的第一眼,都是怎么这么眼熟。

因为它和人类拍到的第一张黑洞照片确实有点像。

人类首张黑洞照片于2019年诞生,拍到的是离我们非常遥远的M87星系中心的超大质量黑洞,它来自河外星系的室女座星系团,质量是太阳的65亿倍,距离地球5500万光年。

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现在这张照片里的黑洞离地球更近,拍摄过程也经历了更多困难,结果是通过数千张照片进行分析取平均得来的。

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它就处于银河系最中心,学名叫“人马座A”,距离地球仅2.7万光年,质量为太阳的400万倍,被认为是*研究黑洞物理的最佳目标。

人类发现宇宙最大的恒星r136a1,质量也只是太阳的265-315倍。

至于为什么这两个黑洞处于两个完全不同的星系,但呈现的样子却差不多,科学家表示,这说明黑洞周围物质都被广义相对论这种相同的物理过程控制。

黑洞作为一个看不见的致密天体,由恒星一路从白矮星、中子星演变而来,在1916年首次被德国天文学家发现。

在我们所处的银河系中,就存在上亿个黑洞,超质量黑洞则有数百万个。

上世纪60年代,天文学家推测银河系的中心存在着一个超大质量的黑洞,作为类星体产生巨大能量的“隐形引擎”。

类星体,就是类似恒星的星体,其射电源释放出的能量是包含千亿颗恒星的银河系的1000多倍。

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70年代,科学家发现银河系中心确实存在着存在致密射电核。

从90年代开始,世界各地的科学家开始就利用周围的恒星运动测量其存在。

2020年,美国和德国三位科学家因为确立了黑洞可在广义相对论理论框架下形成的理论,以及观测到了这个与推测相符合的超大质量致密天体,获得了诺贝尔物理学奖。

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距离更近,为什么更难拍到?

黑洞虽然很大(直径4400万公里),但离地球实在太远。

为了一睹其真面目,2017年,国际研究团队事件视界望远镜(EHT)合作组织开始将分布在包括南极在内的不同地方的8台毫米波望远镜联网,组成相当于地球直径的虚拟望远镜(地球直径1万2千多公里)进行拍摄。

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具体来说,利用甚长基线干涉测量技术,科学家们在地球上记录无线电波到达的信号,并用高精度的原子钟进行同步。

有了来自不同观测站望远镜的数据,科学家们就能重建出一幅发生在数万光年之外的图像。

大家可能还记得第一张黑洞照片也是这个组织拍到的。

不过它们都同时于2017年开拍,为什么这个黑洞多花了3年?而且还在这个黑洞的距离离地球这么近的情况下。

原因其实有很多,比如:

1、相比M87星系中心黑洞的质量太小,导致它周围物质运动的速度要快很多。这就导致原本好几天时间里的变化,现在变成了在几分钟左右内就会发生,所以观测难度更大。

2、尺寸太小,导致其事件视界小而暗淡,对事件视界望远镜的观测提出了更高的要求。

所谓“事件视界”就是指黑洞中光线无法逃出的范围,在“事件视界”之外的光线会被弯曲,但是有几率逃出黑洞引力的“魔爪”,让我们得以看见黑洞。

3、活跃度更低,此黑洞大概1000年才能吞噬一倍太阳质量的物质,开疆扩土的效率仅是M87星系黑洞的百分之一。这就导致它的吸积盘光芒较弱,很难被望远镜捕获。

靠近黑洞的物质落入其中之时,会形成像排水孔周围一样的漩涡,称为吸积盘。在这个过程中,气体因引力势能得到释放被加热到几百万度,发出强烈的光。

4、周围环境的干扰更多,主要是此黑洞所在的银河系中心区域,星光缭绕,尘埃密布,会遮挡射电望远镜的观测视线。

由此可见,这张照片的来之不易。

但这只是天文学家们未来研究中的一小步,EHT还将拍摄气体绕转黑洞的动态过程,尝试对爱因斯坦广义相对论进行验证、探索黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播等等。

最后,需要提到的是,来自上海天文台、华科大、上交大、中科大以及南京大学的我国17名科学家作为EHT的一员,也参与了这张照片的拍摄,负责了理论分析等方面的工作。

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