2022年第12期 银河系的“大家长”

2022-12-27

发现“大家长”


从远古时代,人们就开始对星空中一片白茫茫的区域产生疑惑。它就像是一条长链,从天空的一边延伸到另一边,随着季节的变化,方位各不相同,它被叫作“银河”。银河就是我们太阳系所在的星系,太阳环绕着银河系的中心运行。长期以来,“究竟有什么力量迫使太阳系围绕着银河系的中心运转”这个问题一直困惑着天文学家。后来人们才知道,银河系的中心有黑洞,是黑洞的强大引力迫使所有的天体都要围绕它旋转运行。黑洞就像是一个“大家长”那样,管理着恒星的运行。


银河系中心的黑洞在人马座,被称为“人马座Sgr A*”。它的体量巨大,大概有440万个太阳质量。科学家认为,它可能与暗物质共同作用才能发挥巨大的能力,驱动恒星围绕它运行。



人马座Sgr A* 在射电望远镜刚刚诞生的时候就被发现,但那时它被认为是来自太空的射电波。后来科学家确定它位于银河系的中心,才被称为“人马座 A”。之后,科学家又进一步明确了它的位置,才把它称为“人马座Sgr A*”。


甚大阵射电望远镜看到的人马座 Sgr A*


2002年,莱因哈德·根泽尔研究小组发现,在人马座Sgr A* 的旁边,有一颗恒星围绕它运行,通过测量两者之间的关系,研究人员知道了这个黑洞的大概质量。2009年,另一个研究小组公布了更多的恒星绕行的观测结果,证据确凿地证实了银河系中心的确存在一个巨大的黑洞。正因为如此,2020年的诺贝尔物理学奖颁发给了发现黑洞的科学家。


“混乱”的地方


有黑洞存在的地方,一定是个“是非之地”,黑洞会把周边的恒星吞噬掉。它首先把恒星拉扯到自己的身边,让恒星围绕着自己。这时恒星运行得越来越快,最后被黑洞撕扯成碎片。


科学家在银河系中心发现了G2,他们开始以为 G2是星云,后来才意识到搞错了,G2不是星云,而是两颗恒星。也许它们本身不是双星,但是在接近黑洞的情况下,融合成更加巨大的恒星,这样才可以抵御黑洞的引力,避免被吞噬的命运。它们在被黑洞拉扯的情况下变成了长条状,因而被误认为是星云。G2距离黑洞大约250亿千米,这个距离放在太阳系内,应该会在海王星轨道附近。这个距离太近了,极其接近黑洞,但G2还没有被黑洞吞噬。也许吞噬需要很长的时间,长长的星云外形仅是暂时的表现。


3D渲染效果下的黑洞


银河系的黑洞并不狂暴。通常,狂暴的黑洞在吸收了太多恒星的情况下会发生喷流,那是宇宙中最壮观的景象。目前人马座 Sgr A* 还处于安静阶段,但它有很多不安分的表现。2015年1月5日,美国宇航局的报告显示,他们观察到了比平常明亮400倍的X射线耀斑,这就是天体落入黑洞的表现。当黑洞吸收天体时,还会出现磁场扰动。当磁场纠缠在一起,还会带来一些其他变化,在电磁波的各个波段表现出来。


给黑洞拍照


天文学家为了让公众知晓银河系中心的黑洞究竟长啥模样,准备为它拍摄一张照片。给人马座 Sgr A*拍摄照片可不是一件易事。


黑洞不发光,光学望远镜就观测不到它。但是它能发出电磁波,射电望远镜据此能观测到它。单个的射电望远镜也没有这么大的分辨力,为此科学家创造了虚拟望远镜这种技术,把多个望远镜组合在一起,集成一台大望远镜。拍摄黑洞照片的望远镜由8座毫米/亚毫米波射电望远镜组成,这些望远镜分布在世界各地,组合成的口径相当于地球直径大小,被称为“事件视界望远镜”(EHT)。它的分辨率可以达到哈勃望远镜的1000倍。具备这么强大的分辨力,就能给黑洞拍摄照片了。


事件视界望远镜拍摄的银河系中心黑洞


事件视界望远镜对人马座Sgr A*开展了多个晚上的观测,每次连续采集好几个小时的数据,再经过不同的计算方法得到数千张图像,最后平均各种因素生成主图。2022年5月12日,事件视界望远镜终于生成了一张银河系中心黑洞的照片。这是一个环状的圆形斑点,图中明亮的就是周边的气体云。由于地球位于银河系的边缘,因而这张照片的拍摄角度有所倾斜(大概倾斜了不到 30度)。


人们终于“看见”了银河系中心的黑洞的模样,这是事件视界望远镜第二次发布黑洞的照片。前一次发布的是室女座M87星系中心的黑洞照片。虽然这两张照片看上去并无太大的区别,但却耗费了巨量的设备资源。建成事件视界望远镜是一个了不起的壮举,下一步,科学家还会建造更高级的事件视界望远镜,用以制作揭示黑洞的轮廓如何随时间变化的纪录片,这样我们就可以进一步了解银河系中心的黑洞,更详细地了解黑洞的周边环境。


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文/北辰

来源/《科学24小时》



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