北京時間5月12日晚
在全球各地同時召開的新聞發(fā)布會上
這一成果給出了該天體就是黑洞的實證
為理解這種被認為居于大多數(shù)星系中心的
“巨獸”的行為提供了寶貴的線索
該照片由事件視界望遠鏡（EHT）合作組織
通過分布在全球的射電望遠鏡組網(wǎng)“拍攝”而成
北京大學(xué)的三位科學(xué)家
深度參與了這項重大發(fā)現(xiàn)
他們是科維理天文與天體物理研究所
和未來技術(shù)學(xué)院孫赫研究員
黑洞，打開未知之窗
圖1：銀河系中心黑洞的首張照片
這是我們銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的首張照片，是這個黑洞真實存在的首個直接視覺證據(jù)。
該照片由分布在地球上的八個射電望遠鏡組成的、一個等效于地球般大小的虛擬望遠鏡（即，EHT）所捕獲。望遠鏡以事件視界（即，光線也無法逃脫的黑洞邊界）命名。
因為黑洞不發(fā)光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號：一個被亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)圍繞的暗弱中心區(qū)域（稱之為陰影）。照片上顯現(xiàn)出的（射電）光都是由該黑洞的強大引力彎曲所致，這個黑洞的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的四百萬倍。
這張照片是EHT團隊將從Sgr A*的2017年觀測數(shù)據(jù)中提取出的不同照片平均而成（見圖2）。
這是一張期待已久的關(guān)于我們銀河系中心的大質(zhì)量天體的真面目肖像。
從地圓說，到日心說，再到對銀河系的認識，人類從未停下對自身所處環(huán)境的探索，不斷從更廣闊的尺度了解我們所處的環(huán)境。而這次發(fā)布的照片，則提供了銀河系中心存在黑洞的首個直接的視覺證據(jù)。
我們?yōu)槭裁匆^測黑洞？北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所的邵立晶研究員談到，
“
黑洞是廣義相對論預(yù)言的特殊天體，通過對黑洞的性質(zhì)進行觀測，我們將對物理學(xué)基礎(chǔ)理論有更好的理解。
隨著周圍物質(zhì)逐漸被吸入黑洞而釋放能量，臨近視界的部分溫度更高也更加明亮
“
“我們驚嘆于環(huán)的大小與愛因斯坦廣義相對論預(yù)測結(jié)果出奇一致，”來自臺北天文與天體物理研究所的EHT項目科學(xué)家Geoffrey Bower說，“這些前所未有的觀測極大地提升了我們對銀河系中心所發(fā)生一切的認識，并為了解超大質(zhì)量黑洞如何與周圍環(huán)境相互作用提供了全新視角?！?/p>
”
EHT團隊的研究成果5月12日以特刊的形式發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通信》。（點擊閱讀原文，查看詳細內(nèi)容）
因為銀河系中心黑洞距離地球有二萬七千光年之遙，所以它的大小看上去與從地球上看38萬千米遠的月亮上的甜甜圈大小差不多。在物理上，通常來說，望遠鏡越大，分辨率越好；EHT則是相當(dāng)于由分布在全球六地的八個射電望遠鏡組成的一個猶如地球那么大的虛擬望遠鏡[1]，所以擁有足夠高的分辨率。EHT對Sgr A*開展了多個晚上的觀測，每次連續(xù)采集了好幾個小時的數(shù)據(jù)，就如同相機的長時間曝光。
EHT望遠鏡分布
這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于更遙遠星系M87中央黑洞（M87*）之后的又一重大突破。
盡管我們銀河系中心的黑洞比M87*小了1500多倍，也輕了1500多倍，但兩個黑洞看起來格外相似[2]。
“
“它們來自兩種不同類型的星系，且具有極不相同的黑洞質(zhì)量，但當(dāng)我們聚焦在這些黑洞的邊緣時，它們看起來神奇的相似，”來自阿姆斯特丹大學(xué)的理論天體物理學(xué)家、EHT科學(xué)委員會聯(lián)合主席Sera Markoff教授說，“這告訴我們靠近黑洞的物體完全受廣義相對論支配，我們在遠處所看到的不同表象是由黑洞周圍物質(zhì)的差異造成的?！?/p>
”
挑戰(zhàn)中誕生的新成果
盡管Sgr A*離我們更近，這項成果的得來卻比M87*艱難得多。來自斯圖爾德天文臺、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解釋道：
“
黑洞周圍的氣體均以幾乎接近光速繞著Sgr A*和M87*高速旋轉(zhuǎn)。氣體繞轉(zhuǎn)M87*一周需要幾天到數(shù)周時間，但對于相對小很多的Sgr A*來說，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。這意味著就在EHT觀測Sgr A*之時，該超大質(zhì)量黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時刻快速變化著。有點像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。
”
研究人員不得不開發(fā)新的復(fù)雜的工具來考慮圍繞Sgr A*的氣體運動。為M87*這種穩(wěn)定和幾乎所有圖案都相同的目標成像相對容易，對于Sgr A*就完全不一樣了。Sgr A*的黑洞照片是研究團隊提取出的不同照片平均后的效果，最終得以第一次將隱藏在我們銀河系中心的“巨獸”呈現(xiàn)出來。
這集結(jié)了來自全球80個研究機構(gòu)共300多名研究人員組成的EHT合作組織的奇思妙想才得以實現(xiàn)。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團隊花了五年時間，用超級計算機合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測結(jié)果進行嚴格比對。
圖2：銀河系中心黑洞的首張照片是這樣做成的（EHT合作組織提供）
EHT合作團隊將從Sgr A*的2017年EHT觀測數(shù)據(jù)中提取的諸多照片組合制作成一張銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的最終照片。
這張最終照片是通過將數(shù)千張使用不同計算方法得到的圖像平均起來生成的，所有這些圖像都可準確擬合EHT數(shù)據(jù)。最終照片保留了在所有不同圖像中更常見的特征，并抑制了不常見的特征。
上述數(shù)千張不同圖像的集合可以根據(jù)它們相似的特征分成四個子集。圖底部一排顯示的是每個子集的平均代表性圖像。其中三個子集的圖像都呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，只是環(huán)狀周圍的亮度分布不同。第四個子集包含的圖像盡管也能與數(shù)據(jù)吻合，但看上去不像個環(huán)。
柱狀圖顯示了屬于每個子集的圖像的相對數(shù)量。前三個子集中每個都有數(shù)千張照片，而第四個也是最小的子集中只有數(shù)百張照片。柱狀圖的高度代表每個子集對最終照片的相對“權(quán)重”或貢獻。
EHT，北大科學(xué)家在場
與EHT巨額工作量匹配的是其規(guī)模龐大的團隊。目前，EHT團隊共有科研工作者三百余人，他們分別承擔(dān)了理論的研究解釋、數(shù)據(jù)處理以及觀測工作。北京大學(xué)的三位科學(xué)家也深度參與其中，他們是科維理天文與天體物理研究所所長何子山教授、邵立晶研究員和未來技術(shù)學(xué)院孫赫研究員。
EHT2020年成圖工作組一次討論會集體照
孫赫研究員在EHT負責(zé)圖像處理軟件的開發(fā)和銀心黑洞數(shù)據(jù)的分析工作。
“
“對銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的成像不僅僅是重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也代表著工程技術(shù)的巨大進展，”孫赫研究員這樣說，“這是天文學(xué)和計算機等工程領(lǐng)域的完美融合，也預(yù)示著人工智能在科學(xué)成像的領(lǐng)域無窮可能性?！?/p>
”
北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所的邵立晶研究員參與了EHT合作組在黑洞理論與引力檢驗方面的合作研討，他補充道：“愛因斯坦的廣義相對論是個十分優(yōu)美的物理理論。它預(yù)言了所有的黑洞在數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)上都是類似的，是一片異常簡單的四維時空區(qū)域，與黑洞的質(zhì)量沒有關(guān)系。對這種‘簡單事物’的觀測和實驗探索，本身就是一種美學(xué)意義上的享受?！?/p>
2020年，邵立晶在北京未來劇院作題為“愛因斯坦對了嗎？”的科普講演
當(dāng)下，EHT在不斷推進觀測研究的進程。今年3月份，EHT完成了有更多望遠鏡參與的聯(lián)合觀測，之后，也會有越來越多的望遠鏡加入EHT項目建設(shè)。EHT的規(guī)模擴展和技術(shù)革新使得更多照片與黑洞“電影”的輸出得以可能。
建設(shè)基礎(chǔ)學(xué)科，青年助力強國
基礎(chǔ)學(xué)科的研究往往耗資巨大，又需要大量人力，故目前世界范圍內(nèi)基礎(chǔ)學(xué)科的研究，都朝著開展大規(guī)模合作的方向發(fā)展。近些年，我國科學(xué)工作者通過參加國際合作，產(chǎn)出了許多重要成果。
國內(nèi)的基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起步較晚，但在國家的高度重視和大力扶持下，近些年，我國的基礎(chǔ)學(xué)科探索不斷深入。
“
“對銀心黑洞物理的探索，不僅能夠讓我們更好地理解天文學(xué)上星系的構(gòu)造和演化，周圍環(huán)境的反饋，也是對物理學(xué)基礎(chǔ)定律的有益探究，具有十分重要的意義?！北本┐髮W(xué)科維理天文與天體物理研究所所長何子山教授總結(jié)到，“國內(nèi)有越來越多的年輕科研人員能夠參與到這樣具有歷史意義的大發(fā)現(xiàn)中，與國家對基礎(chǔ)天文學(xué)的投入是分不開的?！?/p>
”
北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所所長何子山教授
北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所的邵立晶研究員提到，“基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展需要長期的投入，尤其是在人才培養(yǎng)方面。培養(yǎng)一支青年人才隊伍，讓他們成為大的科學(xué)項目和國際合作的中流砥柱，這是我們需要以幾十年計的戰(zhàn)略目標。”
而北大，正緊緊跟隨國家的腳步，以基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)助力國家綜合實力增長。近些年，北京大學(xué)天文學(xué)專業(yè)國際排名逐步攀升，目前為亞洲第二。
北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所成立
更多的探索
正在等待著北大天文
北大也將努力建設(shè)基礎(chǔ)學(xué)科
以科研助力強國
注釋：
[1]參與2017年EHT觀測的8個望遠鏡是：ALMA（阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列）、APEX（阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡）、IRAM30米望遠鏡、JCMT（詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠鏡）、LMT（大型毫米波望遠鏡）、SMA（亞毫米波陣列）、SMT（亞毫米波望遠鏡）、SPT（南極望遠鏡）。這些年來，EHT又有新的望遠鏡加入，包括：GLT（格陵蘭望遠鏡）、NOEMA（北天延展毫米波陣列）和基特峰12米望遠鏡。
[2]黑洞是我們所知的其大小與質(zhì)量成正比的唯一天體，兩個大小相差一千倍的黑洞，它們的質(zhì)量也相差一千倍。
來源：北京大學(xué)融媒體中心、北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所
圖片：北京大學(xué)教務(wù)部公眾號、EHT合作組織、ETH項目網(wǎng)站、果殼網(wǎng)、NASA戈達德航天中心、上海天文臺
編輯：孫治宇、馬驍
排版：唐儒雅
責(zé)編：戴璐瑤
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