银河系中心的黑洞“甜甜圈”

海量黑洞照片汇总示意图不知道喜爱星空的朋友们听说没有，天文圈最近爆出了一个足以载入史册的大新闻！

北京时间2022年5月12日21：00，科学家们在世界上7个不同地方同时召开新闻发布会，公布了首张银河系中心超大质量黑洞的“证件照”！人类历史上第一次看到了银河系中心的真容。

银河系中心黑洞的首张照片

看到这张照片，你的第一反应是不是觉得自己眼花了？告诉大家，这就是科学家向全世界发布的银河系中心黑洞的原图，如假包换！原来银河系中心黑洞的照片，看起来就像是个“烤坏了的甜甜圈”嘛！但就是这么一个平淡无奇的“甜甜圈”，却是利用世界上一大堆最先进的望远镜，经过300多位科学家5年多的共同努力才得到的。下面我们就从三个方面给大家讲讲这个“甜甜圈”背后的科学知识。

美味的甜甜圈面包

黑洞“甜甜圈”为什么长这样？

不是说黑洞因为引力巨大，任何光线都逃不出它的掌心吗？又怎么能拍出照片来呢？实际上，我们的确看不到黑洞本身，但却可以看到环绕黑洞周围的气体所发出的光。

根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞周围气体的光，被黑洞附近强大的引力场弯曲，最后能够到达我们地球的光线，会呈现为一个明亮的环状结构，而被明亮光环包围着的暗弱区域，称为黑洞“阴影”。

黑洞周围光线偏折 成像过程示意图

当然啦，示意图最后呈现的完美圆形阴影+光环的组合，只是最简单的黑洞模型下最理想的情况。在实际中，由于黑洞自身和它周围物质的复杂情况，传播路径中的干扰，再加上观测仪器和数据处理的局限，最终得到的就是你看到的“烤坏了的甜甜圈”了。

虽然如此，但万变不离其宗，黑洞基本的“长相”就这样啦，都会隐约看到阴影被亮环包着的“甜甜圈”形状。人类史上第一张黑洞照片，M87星系中心的超大质量黑洞照，也长得差不多。

M87星系中心黑洞的照片

黑洞“甜甜圈”是怎么拍出来的？

银河系中心的超大质量黑洞距离地球2.6万光年，银河系中心密密麻麻的天体和尘埃，遮蔽散射了黑洞附近的光。此外，在地球上看来，银河系中心的黑洞在夜空中的范围小之又小，需要足够高的分辨率才能辨别。

所以，科学家并不是用我们熟悉的光学望远镜，而是使用毫米波/亚毫米波望远镜来观测。单台望远镜不够，还需要把许多台望远镜组合起来，变成一个望远镜阵列，利用一种叫做VLBI（甚长基线干涉）的技术，同时进行观测，相当于组网变成了一个超大口径的望远镜，这个望远镜的口径几乎有地球的直径那么大！

拍摄银河系中心黑洞的望远镜阵

2017年4月的5天里，共有8台望远镜在同一时段按下“快门”，采集了黑洞的数据。数据被送往美国和德国的两个数据中心，进行复杂的运算处理。拍照片的时间并不长，但“洗照片”的时间却远超科学家的设想。

其中最大的一个困难是由于绕着黑洞的气体运动速度快，导致黑洞看起来在不停地变化。就好像给活泼好动的宝宝拍满月照，很难抓到清晰好看的正脸。各个望远镜数据的协调一致同样需要费些脑筋。

为了解决遇到的各种问题，上百名科学家组成不同小组，利用不同的方法和模型对数据进行处理分集，最终花费了5年时间，才将数千张使用不同成像方法得到的图像平均起来，生成了最终所发布的第一张照片。参与数据处理的很多科学家曾有想要放弃的念头，但最终他们坚持了下来。

海量黑洞照片汇总示意图

科学家从数千张图像最终“洗出”黑洞照片

黑洞“甜甜圈”到底有多重要？

2020年诺贝尔物理学奖获得者

不知大家是否記得，2020年的诺贝尔物理学奖其实就是跟银河系中心的黑洞有关。当时一半的奖金颁给了赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹，“以表彰他们发现银河系中心有一个超大质量的致密物体”。这里之所以说是致密物质而没直接说黑洞，就是因为两位科学家其实都是用间接的方法确定了银河系中心的超大质量天体。而这次发布的照片，则给出了黑洞存在的直接“视觉”证据！并再一次证明了广义相对论的正确。

银河系示意图

太阳系在银河系中的位置示意图

时空弯曲凹陷想象图

人类首次揭开银河系中心黑洞真容，无疑是一个崭新的开始，人类依靠科技的力量再次将不可能变成了可能。

作为距离人类最近的超大质量黑洞，未来还会有更多的望远镜加入到对它的观测研究中来，后续还将通过偏振观测数据来研究黑洞周围的磁场。更多深入全面的观测数据，也会对理论模型进行更好的修正，揭开更多银河系中心未知的秘密。让我们一起期待吧！

（本文摘编自中国数字科技馆微信公众号）