北京時(shí)間5月12日晚
在全球各地同時(shí)召開的新聞發(fā)布會(huì)上
這一成果給出了該天體就是黑洞的實(shí)證
為理解這種被認(rèn)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(yuǎn)鏡（EHT）合作組織
通過(guò)分布在全球的射電望遠(yuǎn)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(xiàng)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(lái)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(gè)黑洞真實(shí)存在的首個(gè)直接視覺證據(jù)。
該照片由分布在地球上的八個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的、一個(gè)等效于地球般大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡（即，EHT）所捕獲。望遠(yuǎn)鏡以事件視界（即，光線也無(wú)法逃脫的黑洞邊界）命名。
因?yàn)楹诙床话l(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(hào)：一個(gè)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(qiáng)大引力彎曲所致，這個(gè)黑洞的質(zhì)量超過(guò)了太陽(yáng)質(zhì)量的四百萬(wàn)倍。
這張照片是EHT團(tuán)隊(duì)將從Sgr A*的2017年觀測(cè)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(shuō)，到日心說(shuō)，再到對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)，人類從未停下對(duì)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(gè)直接的視覺證據(jù)。
我們?yōu)槭裁匆^測(cè)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(duì)論預(yù)言的特殊天體，通過(guò)對(duì)黑洞的性質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)，我們將對(duì)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(duì)論預(yù)測(cè)結(jié)果出奇一致，”來(lái)自臺(tái)北天文與天體物理研究所的EHT項(xiàng)目科學(xué)家Geoffrey Bower說(shuō)，“這些前所未有的觀測(cè)極大地提升了我們對(duì)銀河系中心所發(fā)生一切的認(rèn)識(shí)，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。”
”
EHT團(tuán)隊(duì)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(diǎn)擊閱讀原文，查看詳細(xì)內(nèi)容）
因?yàn)殂y河系中心黑洞距離地球有二萬(wàn)七千光年之遙，所以它的大小看上去與從地球上看38萬(wàn)千米遠(yuǎn)的月亮上的甜甜圈大小差不多。在物理上，通常來(lái)說(shuō)，望遠(yuǎn)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(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的一個(gè)猶如地球那么大的虛擬望遠(yuǎn)鏡[1]，所以擁有足夠高的分辨率。EHT對(duì)Sgr A*開展了多個(gè)晚上的觀測(cè)，每次連續(xù)采集了好幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，就如同相機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間曝光。
EHT望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(gè)黑洞看起來(lái)格外相似[2]。
“
“它們來(lái)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(shí)，它們看起來(lái)神奇的相似，”來(lái)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(huì)聯(lián)合主席Sera Markoff教授說(shuō)，“這告訴我們靠近黑洞的物體完全受廣義相對(duì)論支配，我們?cè)谶h(yuǎn)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(xiàng)成果的得來(lái)卻比M87*艱難得多。來(lái)自斯圖爾德天文臺(tái)、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(shí)間，但對(duì)于相對(duì)小很多的Sgr A*來(lái)說(shuō)，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。這意味著就在EHT觀測(cè)Sgr A*之時(shí)，該超大質(zhì)量黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時(shí)刻快速變化著。有點(diǎn)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(lái)考慮圍繞Sgr A*的氣體運(yùn)動(dòng)。為M87*這種穩(wěn)定和幾乎所有圖案都相同的目標(biāo)成像相對(duì)容易，對(duì)于Sgr A*就完全不一樣了。Sgr A*的黑洞照片是研究團(tuán)隊(duì)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(lái)。
這集結(jié)了來(lái)自全球80個(gè)研究機(jī)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(shí)現(xiàn)。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來(lái)克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團(tuán)隊(duì)花了五年時(shí)間，用超級(jí)計(jì)算機(jī)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(kù)與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)。
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(tuán)隊(duì)將從Sgr A*的2017年EHT觀測(cè)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(guò)將數(shù)千張使用不同計(jì)算方法得到的圖像平均起來(lái)生成的，所有這些圖像都可準(zhǔn)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(gè)子集。圖底部一排顯示的是每個(gè)子集的平均代表性圖像。其中三個(gè)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(gè)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(gè)環(huán)。
柱狀圖顯示了屬于每個(gè)子集的圖像的相對(duì)數(shù)量。前三個(gè)子集中每個(gè)都有數(shù)千張照片，而第四個(gè)也是最小的子集中只有數(shù)百?gòu)堈掌?。柱狀圖的高度代表每個(gè)子集對(duì)最終照片的相對(duì)“權(quán)重”或貢獻(xiàn)。
EHT，北大科學(xué)家在場(chǎng)
與EHT巨額工作量匹配的是其規(guī)模龐大的團(tuán)隊(duì)。目前，EHT團(tuán)隊(duì)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(cè)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(zhǎng)何子山教授、邵立晶研究員和未來(lái)技術(shù)學(xué)院孫赫研究員。
EHT2020年成圖工作組一次討論會(huì)集體照
孫赫研究員在EHT負(fù)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(duì)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(jìn)展，”孫赫研究員這樣說(shuō)，“這是天文學(xué)和計(jì)算機(jī)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(wú)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(yàn)方面的合作研討，他補(bǔ)充道：“愛因斯坦的廣義相對(duì)論是個(gè)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(jiǎn)單的四維時(shí)空區(qū)域，與黑洞的質(zhì)量沒(méi)有關(guān)系。對(duì)這種‘簡(jiǎn)單事物’的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)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(lái)劇院作題為“愛因斯坦對(duì)了嗎？”的科普講演
當(dāng)下，EHT在不斷推進(jìn)觀測(cè)研究的進(jìn)程。今年3月份，EHT完成了有更多望遠(yuǎn)鏡參與的聯(lián)合觀測(cè)，之后，也會(huì)有越來(lái)越多的望遠(yuǎn)鏡加入EHT項(xiàng)目建設(shè)。EHT的規(guī)模擴(kuò)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(qiáng)國(guó)
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(guó)科學(xué)工作者通過(guò)參加國(guó)際合作，產(chǎn)出了許多重要成果。
國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起步較晚，但在國(guó)家的高度重視和大力扶持下，近些年，我國(guó)的基礎(chǔ)學(xué)科探索不斷深入。
“
“對(duì)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(duì)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(zhǎng)何子山教授總結(jié)到，“國(guó)內(nèi)有越來(lái)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(guó)家對(duì)基礎(chǔ)天文學(xué)的投入是分不開的。”
”
北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所所長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)伍，讓他們成為大的科學(xué)項(xiàng)目和國(guó)際合作的中流砥柱，這是我們需要以幾十年計(jì)的戰(zhàn)略目標(biāo)?！?/p>
而北大，正緊緊跟隨國(guó)家的腳步，以基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)助力國(guó)家綜合實(shí)力增長(zhǎng)。近些年，北京大學(xué)天文學(xué)專業(yè)國(guó)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(qiáng)國(guó)
注釋：
[1]參與2017年EHT觀測(cè)的8個(gè)望遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡）、IRAM30米望遠(yuǎn)鏡、JCMT（詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡）、LMT（大型毫米波望遠(yuǎn)鏡）、SMA（亞毫米波陣列）、SMT（亞毫米波望遠(yuǎn)鏡）、SPT（南極望遠(yuǎn)鏡）。這些年來(lái)，EHT又有新的望遠(yuǎn)鏡加入，包括：GLT（格陵蘭望遠(yuǎn)鏡）、NOEMA（北天延展毫米波陣列）和基特峰12米望遠(yuǎn)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(gè)大小相差一千倍的黑洞，它們的質(zhì)量也相差一千倍。
來(lái)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(hào)、EHT合作組織、ETH項(xiàng)目網(wǎng)站、果殼網(wǎng)、NASA戈達(dá)德航天中心、上海天文臺(tái)
編輯：孫治宇、馬驍
排版：唐儒雅
責(zé)編：戴璐瑤
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