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李政道研究所助力EHT合作组公布银河系中心黑洞的首张照片

在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上,天文学家向人们展示了位于我们银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。这一成果给出了该天体就是黑洞的实证,为理解这种被认为居于大多数星系中心的“巨兽”的行为提供了宝贵的线索。该照片由事件视界望远镜(EHT)合作组织这个国际研究团队,通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。

1:银河系中心黑洞的首张照片。EHT合作组织提供)

这是我们银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的首张照片,是这个黑洞真实存在的首个直接视觉证据。该照片由分布在地球上的八个射电望远镜组成的、一个等效于地球般大小的虚拟望远镜(即,EHT)所捕获。望远镜以事件视界(即,光线也无法逃脱的黑洞边界)命名。

因为黑洞不发光,所以我们看不见黑洞自身,但绕转的发光气体给出了其存在的信号:一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域(称之为阴影)。照片上显现出的(射电)光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致,这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。

这张照片是EHT团队将从Sgr A*2017年观测数据中提取出的不同照片平均而成(见图2)。

这是一张期待已久的关于我们银河系中心的大质量天体的真面目肖像。科学家之前已观测到众多的恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的和质量极大的天体作轨道运动。这已强烈暗示这个被称作人马座A*(Sagittarius A*:Sgr A*)的天体是一个黑洞,而今天发布的照片则提供了首个直接的视觉证据。

因为黑洞不发光,所以我们看不见黑洞自身,但绕转的发光气体给出了其存在的信号:一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域(称之为阴影)。照片上显现出的(射电)光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致,这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。

“我们惊叹于环的大小与爱因斯坦广义相对论预测结果出奇一致,”来自天文与天体物理研究所的EHT项目科学家Geoffrey Bower说,“这些前所未有的观测极大地提升了我们对银河系中心所发生一切的认识,并为了解超大质量黑洞如何与周围环境相互作用提供了全新视角”。EHT团队的研究成果今天以特刊的形式发表在《天体物理学杂志通信》。[https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results]

因为银河系中心黑洞距离地球有二万七千光年之遥,所以它的大小看上去与从地球上看38万千米外月亮上的甜甜圈大小差不多。为了给它拍这张照片,研究团队创建了观测利器EHT,由分布在全球六地的八个射电望远镜组成的一个犹如地球那么大的虚拟望远镜[1]。EHT对Sgr A*开展了多个晚上的观测,每次连续采集了好几个小时的数据,就如同相机的长时间曝光。

这是EHT合作组织继2019年发布人类第一张黑洞照片,捕获了位于更遥远星系M87中央黑洞(M87*)之后的又一重大突破。

尽管我们银河系中心的黑洞比M87*小了1500多倍,也轻了1500多倍,但两个黑洞看起来格外相似[2]。“它们来自两种不同类型的星系,且具有极不相同的黑洞质量,但当我们聚焦在这些黑洞的边缘时,它们看起来神奇的相似,”来自阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席Sera Markoff教授说,“这告诉我们靠近黑洞的物体完全受广义相对论支配,我们在远处所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的”。

尽管Sgr A*离我们更近,这项成果的得来却比M87*艰难得多。来自斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的EHT科学家Chi-kwan Chan解释道:“黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着Sgr A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需要几天到数周时间,但对于相对小很多的Sgr A*来说,几分钟内气体即可绕转一周。这意味着就在EHT观测Sgr A*之时,该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着。有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片”。

研究人员不得不开发新的复杂的工具来考虑围绕Sgr A*的气体运动。为M87*这种稳定和几乎所有图案都相同的目标成像相对容易,对于Sgr A*就完全不一样了。Sgr A*的黑洞照片是研究团队提取出的不同照片平均后的效果,最终得以第一次将隐藏在我们银河系中心的“巨兽”呈现出来。

这集结了来自全球80个研究机构共300多名研究人员组成的EHT合作组织的奇思妙想才得以实现。除了开发复杂的工具来克服Sgr A*成像面临的挑战外,研究团队花了五年时间,用超级计算机合成和分析数据,编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。

2:银河系中心黑洞的首张照片是这样做成的。EHT合作组织提供)

EHT合作团队将从Sgr A*2017EHT观测数据中提取的诸多照片组合制作成一张银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的最终照片。

这张最终照片是通过将数千张使用不同计算方法得到的图像平均起来生成的,所有这些图像都可准确拟合EHT数据。最终照片保留了在所有不同图像中更常见的特征,并抑制了不常见的特征。

上述数千张不同图像的集合可以根据它们相似的特征分成四个子集。图底部一排显示的是每个子集的平均代表性图像。其中三个子集的图像都呈环状结构,只是环状周围的亮度分布不同。第四个子集包含的图像尽管也能与数据吻合,但看上去不像个环。

柱状图显示了属于每个子集的图像的相对数量。前三个子集中每个都有数千张照片,而第四个也是最小的子集中只有数百张照片。柱状图的高度代表每个子集对最终照片的相对“权重”或贡献。

   EHT理论和模拟工作组组长、爱游戏体育app冠名意甲李政道研究所的副教授水野陽介(Yosuke Mizuno)说:“在成像过程中,我们使用了超级计算机进行了非常大规模的计算,如爱游戏体育app冠名意甲的思源一号,数值模拟生成了超过20万张图像,我们需要分析每张图像以选择出那些可以再现黑洞附近结构的图像。” 他主导了黑洞数值模拟库的开发。

科学家对最终获得两个不同大小黑洞的照片尤其兴奋,这为他们的对照研究提供了条件。他们已经开始用这些新的数据来检验超大质量黑洞周围气体行为的相关理论和模型。目前这个过程尚不完全清楚但被认为对星系的形成和演化起了关键作用。

“现在我们能就这两个超大质量黑洞的差异展开研究,以获取对理解这个重要过程有价值的新线索,”来自天文与天体物理研究所的EHT科学家Keiichi Asada表示。“我们已有了两个质量相差1500倍以上的黑洞的照片,相比过去,我们将可以进一步更深入地检验极端环境下的引力”。

EHT并未停止观测研究的脚步:就在今年3月份刚完成了有更多望远镜参与的联合观测。EHT的持续扩展和技术革新将使得科学家可以分享更引人注目的照片,包括在不久的将来的黑洞“电影”。

“监测超大质量黑洞长时标的动态变化是下一代EHT的科研目标。” EHT青年科学委员会成员、爱游戏体育app冠名意甲李政道研究所博士后崔玉竹说。

注释:

[1]参与2017年EHT观测的8个望远镜是:ALMA(阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列)、APEX(阿塔卡马探路者实验望远镜)、IRAM 30米望远镜、JCMT(詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜)、LMT(大型毫米波望远镜)、SMA(亚毫米波阵列)、SMT(亚毫米波望远镜)、SPT(南极望远镜)。这些年来,EHT又有新的望远镜加入,包括:GLT(格陵兰望远镜)、NOEMA(北天延展毫米波阵列)和基特峰12米望远镜。

[2] 黑洞是我们所知的其大小与质量成正比的唯一天体,两个大小相差一千倍的黑洞,它们的质量也相差一千倍。

更多信息:

我们使用了爱游戏体育app冠名意甲的高性能计算平台(Pi2.0和思源一号)进行了部分数值模拟。

链接

  • EHT 网站: https://eventhorizontelescope.org/
  • TDLI 网站: https://tdli.sjtu.edu.cn/

Contacts

水野 陽介(Yosuke Mizuno)

爱游戏体育app冠名意甲李政道研究所

Email: mizuno@sjtu.edu.cn

崔玉竹

爱游戏体育app冠名意甲李政道研究所

Email: yuzhu_cui@sjtu.edu.cn

论文链接:

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6674

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6675

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6429

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6736

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6672

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6756

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6615

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6428

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac65eb

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6584

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