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探秘“银河系中心的超大质量黑洞”!光都逃不脱,黑洞怎么被拍到

作者:百科派

在我们银河系的中心,人们相信有一个超大质量黑洞,其质量约为太阳质量的 400 万倍。

以前没有人亲眼见过它。

然而,由来自世界各地的 200 多位天文学家组成的庞大项目“视界望远镜(EHT)协作”在历史上首次成功拍摄到银河系中心黑洞“人马座 A*”。

这是天文学史上的一项伟大成就,证实了“人马座A*”的存在,迄今为止,它只是一个黑洞候选者。

但是,有些人可能会认为,“我以前见过类似的图像”。

在这里,我们将解释研究结果以及如何拍摄黑洞。

探秘“银河系中心的超大质量黑洞”!光都逃不脱,黑洞怎么被拍到

我们银河系中心的第一次视觉确认!

“人马座 A*”是位于我们银河系中心的超大质量黑洞(SMBH) 。

有些人可能想知道,“什么是 A 或 *(星号)?”。

在最初被称为人马座A的区域,人马座中最亮的射电源,由于观测精度的提高,发现了一个更亮的区域,因此在该区域添加了一个星号(*)。

这个“人马座 A*”的质量约为太阳质量的 400 万倍,距离地球约 27,000 光年。

也就是说,这次拍摄的黑洞,捕捉到了人类在旧石器时代离开黑洞的光。

“人马座A*”已经被仔细的研究过了,它的质量也是已知的,但是这是从它周围的恒星轨道估计出来的,并没有人真正见过这个黑洞。

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人马座 A* 和我们之间有太遥远的距离,以至于没有望远镜有足够的分辨率来观测它。

这就是为什么这次拍摄如此精彩。

不过,可能有很多人会想,“我以前看过类似的照片?”

事实上,在 2019 年 4 月,事件视界望远镜(EHT)协作组成功拍摄了椭圆星系 M87 中心的大质量黑洞,成为全球热门话题。

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它当然看起来与这张照片非常相似。但这是一张 M87* 的照片,它是另一个星系中一个非常大且明亮的黑洞,质量是太阳的 70 亿倍。

顺便说一句,M87是设定为奥特曼故乡的星系。(据说 M78 星云已被一个印刷错误取代。)

作为奥特曼的故乡,“M87*”的质量是“人马座A*”的1000倍,距离地球5300万光年。

只看数字,似乎拍摄距离较远的 M87* 比拍摄距离地球较近的人马座 A* 更难。

然而,拍摄离地球更近的人马座A*实际上要困难得多。

一个原因是,在观察自己星系的中心时,会比观察遥远的星系时产生更多的噪音。

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在银河系中,存在干扰无线电波的脉冲星和磁星等天体,以及大量阻挡地球视线的物质。

这些障碍使得从地球进行无线电观测十分困难。

另一个原因是射手座 A* 旋转得非常快。

人马座A*周围的气体在几十分钟内绕了一圈,而且变化很快。

因此,要更正数据非常困难。

黑洞因其巨大的质量而成为一个非常紧凑的物体。因此,在嘈杂的环境中很难捕捉到它的外观。

由于这些原因,射手座 A* 比以前的黑洞更难拍摄,因此被更加广泛的讨论。但这次重要的不仅仅是拍摄的难度。

这个结果如此有争议的最大原因是,它是第一个运用视觉证明黑洞确实存在于银河系中心。

根据天文学常识和观测事实,认为银河系中心存在一个超大质量黑洞。

不过,由于没有人真正亲眼看到过,人马座A*只不过是一个黑洞候选者。

天文学是物理学的一个分支,物理学是一门不相信任何理论的学科,无论理论多么合理,都会一直实验直到它们得到证实。

因此,人马座A*是黑洞的第一次目视确认是地球天文学史上非常重要的事件。

这就是为什么这次拍摄的图像如此令人惊讶的原因,即使它们与 M87* 拍摄出的图像十分相似。

在下一节中,我将解释许多人对这次拍摄的疑问。

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为什么即使它应该吸收光也可以拍照?

作为一个简单的问题,有很多人认为,“据说黑洞甚至吸收光,那为什么可以捕捉到光并拍照呢?”

乍一看,这似乎是一个矛盾。

答案是,被拍摄的不是黑洞本身,而是围绕它飞行的光。

也就是说,这张照片就像是拍了一张土星环的照片,并不代表黑洞本身就在发光

话虽如此,你可能会想,“黑洞怎么会在周围形成一个能把所有东西都吸进去的环呢?”

但是,黑洞“什么都吸”是个误区,基本上这个天体是几乎什么都吸。

这与太阳系中的大多数物体只围绕太阳运行而很少真正落到太阳上的事实是相同的。

即使太阳系的中心被一个黑洞取代,地球也不会改变它的轨道而坠落。

它位于黑洞中心附近称为事件视界的区域内,光线无法逃脱。

这就是为什么照片的中心是黑暗的,这个区域被称为黑洞阴影。

黑洞外的光不会直接落入黑洞,而是通过强大的引力透镜效应部分地向地球弯曲。

从地球上看,这会形成一个光环。

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正是这种高度扩散的光使黑洞的照片显得模糊不清。

也有研究纠正这一点,以创建更清晰的黑洞图像,因此我们可以更清楚地看到黑洞的那一天可能会到来。

那么这张照片到底是怎么拍的呢?

首先,重要的是要注意,尽管到目前为止我们已经讨论了很多关于光的内容,但实际上并不是在图片中看到的可见光。

如前所述,从地球到人马座 A* 的视线方向存在许多障碍物,这些障碍物阻挡了可见光,使目前的技术无法看到。

然而,具有红外线或无线电波波长的光可以克服这些障碍并到达地球。

这类似于太阳如何变红。

红光波长较长,不易被大气中的粒子阻挡,因此夕阳看起来偏红。

红外线和无线电波是波长比红光更长的光(电磁波),因此即使被太空尘埃阻挡,它们也可以长距离传播。

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然而,射电观测并不像看起来那么简单。

观察到的是电波强度的数据,在这种状态下,我们无法用肉眼确认图像。

在这个项目中,我们根据世界各地的多个射电望远镜收集的数据计算了 3D 空间中的无线电波强度,并为每个强度级别分配了一种颜色,以创建我们可以用肉眼看到的摄影图像。

射电观测产生的可见光波长是人眼不可见的,所以根据你在这里添加什么颜色,你在图片中得到的影像将会大不相同。

这张照片是由世界各地一个极其强大的射电望远镜网络制作的,称为事件视界望远镜 (EHT)。EHT 不是物理连接的网络,而是原子钟精确地同步观测数据。

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该图像是通过整合这些观察数据产生的。

因此,虽然它被称为摄影,但最重要的一点是分析和纠正数据的复杂算法和复杂任务。

如上图所示,观测还使用了南极射电望远镜。

这些观测数据太大,无法通过互联网传输,必须物理传输。

因此,这是一个花费大量时间和精力的研究成果。

但是对于未经训练的人来说,这张图片看起来就像一个模糊的橙色箍,尽管这是一项了不起的成就。

从这里看到的你能看出什么?

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这是近期拍摄的人马座 A* 和 2019 年拍摄的 M87* 的远近图像对比。

“Sagittarius A*”似乎在环的边缘有更多的模糊点,但正如我之前解释的那样,“Sagittarius A*”有更多的元素快速变化并变成噪音。

由此可见,用电波观测很难得到清晰的图像。

从远处对比图像,我们可以看到 M87* 正在喷出气体,称为黑洞喷流,但人马座 A* 没有喷流。

(射流是右图下方向右流动的气体)

喷流仍然是天文学中未解决的问题之一,目前还不清楚它们是一种什么样的现象。

人们普遍认为,黑洞是利用黑洞的旋转能量喷射出来的。

另外,这两个黑洞的大小和与地球的距离完全不同,但即使调整图像的比例,你也可以看到它们几乎是一样的。

这是因为“M87*”的质量比“人马座A*”大了三个数量级,但距离地球的距离却比“人马座A*”大了三个数量级,抵消了大小感上的差异每个。

这就是为什么两个黑洞看起来几乎相同的环形图像。

即便如此,这张模糊的图像并不能很好地了解图片中的实际情况。

美国国家航空航天局 发布了一个模拟来解释 M87* 图像。让我们来看看它们。

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它看起来有些奇怪,但在黑洞的图像中,一侧看起来很亮,而对面的环看起来很暗。

原因是黑洞以接近光速的速度旋转,这是因为黑洞的动量

出于某种原因, 还可以看到黑洞圆盘上上下流动的部分。

你可以从前面看到你身后的光。

由于 M87* 和 Sagittarius A* 的外观几乎相同,因此认为这种现象在两者中都有发生。这是射手座 A* 理论模型的图像。

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我们能够以几乎相同的方式拍摄黑洞的事实证明这些非常接近理论模型。

从这个观测事实来看,黑洞的奥秘或许会得到更多的澄清。

人类终于可以看到自己所属的银河系中心了。

不幸的是,这两个是目前唯一可以拍摄到的黑洞候选者。

研究人员预测,从技术上讲,下一次拍摄黑洞的时间将超过十年。

然而,不断发展的观测技术和研究人员的努力,将继续为我们带来关于宇宙的巨大惊喜。

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