欣益奇自媒体天文学家揭示了我们银河系中心黑洞的第一张图像。这是像 M87* 这样的环状结构的第一个直接视觉证据。法兰克福歌德大学的理论物理学家在解释数据方面发挥了重要作用。
天文学家揭开了我们银河系中心超大质量黑洞的第一张照片。这一结果提供了压倒性的证据，证明该物体确实是一个黑洞，并为此类巨星的运作提供了有价值的线索，这些巨星被认为位于大多数星系的中心。该图像是由一个名为事件视界望远镜 (EHT) 协作的全球研究团队使用来自全球射电望远镜网络的观测结果制作的。法兰克福歌德大学的理论物理学家在解释数据方面发挥了重要作用。
这张照片是人们期待已久的对位于我们银河系中心的巨大物体的观察。科学家们此前曾在银河系中心看到过恒星围绕着某种看不见的、紧凑的、非常大的物体运行。这强烈表明这个被称为人马座 A*（Sgr A*，发音为“sadge-ay-star”）的物体是一个黑洞，而这张新图像提供了它的第一个直接视觉证据。
模拟气体如何围绕银河系中心的黑洞运行并发射 1.3 毫米无线电波的示例。图片来源：Younsi、Fromm、Mizuno 和 Rezzolla（伦敦大学学院、法兰克福歌德大学
虽然我们看不到黑洞本身，但因为它完全是黑暗的，它周围的发光气体揭示了一个明显的特征：一个黑暗的中心区域（称为“阴影”），周围环绕着一个明亮的环状结构。新视图捕捉到了被黑洞强大引力弯曲的光线，黑洞的质量是太阳的 400 万倍。
台北中央研究院天文与天体物理研究所的 EHT 项目科学家 Geoffrey Bower 说：“环的大小与爱因斯坦广义相对论的预测如此吻合，我们感到震惊。” “这些前所未有的观测极大地提高了我们对银河系中心发生的事情的理解，并为这些巨大的黑洞如何与周围环境相互作用提供了新的见解。”
拍摄银河系中心黑洞的图像需要什么？这段视频解释了事件视界望远镜 (EHT) 的工作原理，以及天文学家如何设法制造出一台地球大小的大型望远镜，其大小足以“看到”黑洞的边缘。学分：ESO
因为这个黑洞距离地球大约 27,000 光年，所以在我们看来，它在天空中的大小与月球上的甜甜圈差不多。为了对其进行成像，该团队创建了强大的 EHT，它将地球上现有的八个射电天文台连接在一起，形成一个单一的“地球大小”的虚拟望远镜。EHT 在多个晚上观察人马座 A*，连续数小时收集数据，类似于在相机上使用长时间曝光。
收集到的大量观测数据必须进行理论上的解释。为此，由法兰克福歌德大学的理论天体物理学家 Luciano Rezzolla 领导的一个研究小组使用超级计算机来模拟黑洞在 EHT 观测时的样子——基于对人马座 A* 的已知信息。通过这种方式，科学家们创建了一个包含数百万张图像的库。然后，他们将该图像库与 EHT 的数千张不同图像进行比较，以推断 Sgr A* 的属性。
这一突破是在 EHT 合作组织于 2019 年发布的第一张名为 M87* 的黑洞图像之后发布的，该黑洞位于更遥远的梅西耶 87 星系的中心。
Luciano Rezzolla，法兰克福歌德大学天体物理学教授。学分：于尔根·莱彻
这两个黑洞看起来非常相似，尽管我们银河系的黑洞比 M87* 小一千多倍，质量也小一千多倍。“我们有两种完全不同类型的星系和两种截然不同的黑洞质量，但靠近这些黑洞的边缘，它们看起来惊人地相似，”EHT 科学委员会副主席、理论天体物理学教授 Sera Markoff 说。荷兰阿姆斯特丹大学。“这告诉我们，广义相对论可以近距离控制这些物体，而我们在更远的地方看到的任何差异都必须是由于黑洞周围物质的差异造成的。”
这一成就比 M87* 困难得多，尽管 Sgr A* 离我们更近。美国亚利桑那大学天文学系和数据科学研究所 Steward 天文台的 EHT 科学家 Chi-kwan (‘CK’) Chan 解释说：“黑洞附近的气体以相同的速度移动- 几乎与光速一样快 – 在 Sgr A* 和 M87* 周围。但是，在较大的 M87* 中，气体需要数天到数周才能绕行，而在小得多的人马座 A* 中，它只需几分钟即可完成轨道。这意味着 Sgr A* 周围气体的亮度和模式在 EHT 合作组织正在观察时正在迅速变化——有点像试图拍一张小狗快速追尾的清晰照片。”
研究人员必须开发复杂的新工具来解释 Sgr A* 周围的气体运动。虽然 M87* 是一个更容易、更稳定的目标，几乎所有图像看起来都一样，但 Sgr A* 的情况并非如此。Sgr A* 黑洞的图像是该团队提取的不同图像
的平均值，最终首次揭示了潜伏在我们银河系中心的巨人。
通过来自世界各地 80 个研究所的 300 多名研究人员的独创性，EHT 合作组织共同完成了这项工作。除了开发复杂的工具来克服成像 Sgr A* 的挑战外，该团队还严谨地工作了五年，使用超级计算机来组合和分析他们的数据，同时编译一个前所未有的模拟黑洞库以与观测结果进行比较。
法兰克福歌德大学理论天体物理学教授 Luciano Rezzolla 解释说：“在我们观察之前，我们就非常准确地知道了物体的质量和距离。因此，我们使用这些对阴影大小的严格限制来排除其他紧凑的物体——例如玻色子星或虫洞——并得出结论：“我们所看到的绝对看起来像一个黑洞！”
法兰克福的理论家使用先进的数字代码，对吸积到黑洞上的等离子体的特性进行了广泛的计算。Rezzolla：“我们设法计算了 300 万张不同吸积和辐射发射模型的合成图像，并考虑了观察者在不同倾斜度上看到的关于黑洞的变化。”
这最后一项操作是必要的，因为当观察者以不同的倾角看到时，黑洞的图像可能会完全不同。“事实上，我们的 Sgr A* 和 M87* 图像非常相似的一个原因是因为我们从几乎相同的角度看到了这两个黑洞，”Rezzolla 解释说。
“要了解 EHT 如何产生人马座 A* 的图像，可以考虑根据延时视频制作山峰的图片。虽然大部分时间峰值会在延时视频中可见，但有时却不是因为它被云层遮挡。然而，平均而言，峰值显然在那里。Sgr A* 也有类似的情况，其观察导致数千张图像被收集到四个类别中，然后根据它们的属性进行平均。最终结果是银河系中心黑洞的第一张清晰图像。” Rezzolla 总结道。
科学家们特别兴奋地终于获得了两个大小非常不同的黑洞的图像，这提供了了解它们如何比较和对比的机会。他们还开始使用新数据来测试气体如何在超大质量黑洞周围表现的理论和模型。这一过程尚未完全了解，但被认为在塑造星系的形成和演化方面发挥着关键作用。
“现在我们可以研究这两个超大质量黑洞之间的差异，以获得有关这一重要过程如何运作的宝贵新线索，”台北中央研究院天文与天体物理研究所的 EHT 科学家 Keiichi Asada 说。“我们有两个黑洞的图像——一个在宇宙中超大质量黑洞的大端，一个在小端——因此我们可以比以往更进一步地测试重力在这些极端环境中的表现。”
EHT 的进展仍在继续：2022 年 3 月的一次重大观测活动包括比以往更多的望远镜。EHT 网络的持续扩展和重大的技术升级将使科学家们能够在不久的将来分享更多令人印象深刻的黑洞图像和视频。
