銀河系中心黑洞首張照片背後:射電天文學的“誕生之音”

2022年05月13日09:34

  澎湃新聞記者 王蕙蓉

  北京時間2022年5月12日晚9點,事件視界望遠鏡(EHT)合作組織正式發佈了銀河系中心黑洞人馬座A*(Sgr A*)的首張照片。這是EHT合作組織繼2019年發佈人類史上第一張黑洞照片,位於更遙遠星系M87中央黑洞照片之後的又一重大突破。

銀河系中心黑洞人馬座A*首張照片,圖片來自EHT合作組
銀河系中心黑洞人馬座A*首張照片,圖片來自EHT合作組

  這張銀河系中心超大質量黑洞的圖像將射電天文學帶回了它的誕生地。事件視界望遠鏡(EHT)是全球8個毫米波射電望遠鏡所組成的觀測陣列,此次所拍攝的圖像區域正是首個被探測到的宇宙無線電波“發源地”。1932年,貝爾電話實驗室的工程師卡爾·揚斯基(Karl Jansky)發現了這一無線電波,這標誌著射電天文學的開始。

  對於銀河系研究,最早可追溯到意大利物理學家和天文學家伽利略(Galileo Galilei)。1610年,伽利略用望遠鏡發現銀河系儘管肉眼看上去像雲一樣,但實際上由恒星組成。1785年,英國天文學家威廉·赫歇爾(William Herschel)繪製了一幅銀河系的初始圖。

  1918年,美國天文學家哈囉·沙普利(Harlow Shapley)利用造父變星確定了銀河系的中心,確定了圍繞著銀河系的球狀星團,其中心位於人馬座的一個區域。該區域被厚厚的氣體雲塵埃雲擋住了可見光望遠鏡的觀測。造父變星作為變星的一種,是一類高光度週期性脈動變星,其亮度隨時間呈週期性變化,它的光變週期(即亮度變化一週的時間)與它的光度成正比,因此可用於測量星際和星系際的距離。

  1928年,揚斯基受僱於貝爾實驗室,負責確定幹擾短波無線電話通信的噪聲源,他設計了一種高度定向的天線。到1932年,他已經確定了一些噪聲源,然而其中還有一個謎團,“一種非常穩定、類似於嘶嘶聲的靜態聲音,其來源尚不清楚。”

  這種嘶嘶聲出現的時間隨著季節變化而變化。在一位天文學家朋友建議下,揚斯基查閱了一些天文學書,並於1932年12月得出結論:奇怪的嘶嘶聲來自“太陽系外”。1933年4月,他在一次華盛頓特區會議上發表了一篇論文,宣佈了這一發現。1933年5月5日,《紐約時報》在頭版報導了這一聲明。

  10天后,揚斯基接受了一家全國性無線電台網的採訪,表示已經確定了噪音在太空中的位置,“這似乎證實了沙普利博士的計算,即無線電波似乎來自我們星系的重心。”

  這一區域後來被稱為人馬座A,是該星座中最亮的無線電發射源。1951年,澳州射電天文學家進一步縮小了發射源的範圍,認為它是銀河系的中心。

  1974年,布魯斯·貝里克(Bruce Balick)和羅伯特·布朗(Robert Brown)利用美國國家射電天文台的綠岸干涉儀(Green Bank Interferometer)發現了一個非常明亮而緊湊的天體,布朗後來給它起了個名字:人馬座A*(加了星號)。黑洞成為瞭解釋該天體發出明亮射電的主要原因。1994年,紅外和亞毫米波研究估測人馬座A*的質量是太陽的300萬倍。

  更遙遠星系M87中央黑洞M87*(左)與銀河系中心黑洞人馬座A*(右)的照片對比,圖片均來自EHT合作組

  2002年,馬克斯·普朗克地外物理研究所Reinhard Genzel領導的團隊報告了一項為期10年的研究,研究了人馬座A*附近一顆名為S2的恒星軌道運動。該研究得出結論為銀河系中心天體人馬座A*的質量是太陽的400多萬倍。

  2009年,另一個團隊報告了對該區域恒星軌道的進一步觀測,並得出結論,中心天體可能是一個黑洞,因為目前還沒有其他現象可以解釋在如此小的空間內為何能容納如此巨大的質量。這項研究與關於人馬座A*的其他研究為加州大學洛杉磯分校的萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)和安德里亞·格茲(Andrea Ghez)贏得了2020年諾貝爾物理學獎,因為他們提出了“迄今為止關於銀河系中心存在超大質量黑洞最令人信服的證據”。

銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*,插圖來自EHT合作組,大圖來自NASA
銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*,插圖來自EHT合作組,大圖來自NASA

  此次EHT合作組拍攝的人馬座A*首張照片,則提供了銀河系中心超大質量黑洞存在的直接視覺證據,其黑洞周圍產生的現象與理論預測相一致。這張照片成為了自伽利略研究銀河系到現今漫長研究曆史的一個頂點,有助於科學家進一步研究超大質量黑洞周圍氣體行為的理論與模型。

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