UTC時(shí)間2022年5月12日13:00（北京時(shí)間21:00），美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) (NSF) 和歐洲南方天文臺(tái)(ESO)以及我國(guó)紫金山天文臺(tái)等，聯(lián)合發(fā)布了銀河系中心的黑洞，這是繼2019年4月10日后第二個(gè)黑洞的照片，將以前所未有的視角展現(xiàn)銀心這個(gè)神秘天體！
銀心黑洞究竟是怎么發(fā)現(xiàn)的？
銀心黑洞的全稱是Sagittarius A*，或者簡(jiǎn)寫為Sgr A*，這是是位于銀河系銀河中心的一個(gè)明亮且非常緊湊的天文無(wú)線射電源，那又如何認(rèn)定這就是一個(gè)黑洞呢？
黑洞到底是個(gè)什么樣的天體？
各位了解的黑洞最早應(yīng)該是來(lái)自史瓦西的計(jì)算，大家都知道這是史瓦西在一戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)上解出了愛因斯坦的廣義相對(duì)論引力場(chǎng)公式的特殊解，但事實(shí)上最早計(jì)算出光子都跑不出的天體的大神是約翰·米歇爾和皮耶-西蒙·拉普拉斯。
這個(gè)概念是比較容易理解的，環(huán)繞天體運(yùn)行的軌道上其離心力等于引力，那么當(dāng)一個(gè)物體的質(zhì)量很大，但其直徑很小時(shí)，在其軌道上連達(dá)到光速的物體都跑不出去，這就是最初兩位大神的假設(shè)，不過(guò)顯然這兩位也就假設(shè)而已，他們不認(rèn)為這種東西會(huì)存在。
但當(dāng)史瓦西解出廣義相對(duì)論精確解時(shí)其實(shí)大家也不太相信宇宙中居然會(huì)存在這樣的天體，因此關(guān)于黑洞的研究長(zhǎng)期沒(méi)有進(jìn)展，一直到1958年，大衛(wèi)·芬克爾斯坦才發(fā)表了史瓦西解的無(wú)法逃脫區(qū)域空間的解釋。
第一個(gè)黑洞：天鵝座X-1的謎團(tuán)
1964年時(shí)在新墨西哥州白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)，一枚探空火箭將一個(gè)X射線觀測(cè)設(shè)備送到了卡門線以上，觀測(cè)到了8個(gè)X射線源，其中就有名Cyg X-1，也就是著名的天鵝座X-1射線源，1970年NASA發(fā)射了Uhuru衛(wèi)星對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，發(fā)現(xiàn)了其X光強(qiáng)度有波動(dòng)，并且頻率為每秒數(shù)次，科學(xué)家經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，這個(gè)天體的直徑小于10萬(wàn)千米。
1967年，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的安東尼·休伊什學(xué)生喬絲琳·貝爾發(fā)現(xiàn)1.337秒頻率的脈沖星，確認(rèn)是30年前朗道預(yù)言的中子星，發(fā)出的脈沖是中子星快速旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。中子星是坍縮的恒星突破了電子簡(jiǎn)并力平衡的白矮星狀態(tài)，電子和質(zhì)子中和成了中子，并且以中子簡(jiǎn)并態(tài)存在的一種天體。
1971年4月至5月，萊頓天文臺(tái)的 Luc Braes 和 George K. Miley 以及國(guó)家射電天文臺(tái)的Robert M. Hjellming 和 Campbell Wade檢測(cè)到了X-1的射電源是由HDE 226868星發(fā)出的，但這顆恒星是一顆超巨星，其溫度根本不足以發(fā)出X射線，因?yàn)橐a(chǎn)生X射線，其溫度必須要達(dá)到百萬(wàn)度。
因此科學(xué)家判定它一定存在一顆看不見的伴星，1972年，皇家格林威治天文臺(tái)的Louise Webster和Paul Murdin與多倫多大學(xué)David Dunlap天文臺(tái)的Charles Thomas Bolton通過(guò)對(duì)HDE 226868的多普勒頻移確定了這顆伴星的軌道參數(shù)與質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)額4倍以上，顯然根據(jù)奧本海默極限，沒(méi)有中子星能超過(guò)太陽(yáng)的3倍，否則將坍縮成黑洞。
到1973年時(shí)已經(jīng)獲得了大量的觀測(cè)資料，天文界基本已承認(rèn)天鵝座X-1很可能是一個(gè)黑洞。更精確測(cè)量顯示可變性低至一毫秒，這個(gè)間隔與黑洞周圍的吸積物質(zhì)盤——吸積盤中的湍流模型一致，目前已經(jīng)確認(rèn)，X-1的質(zhì)量約為太陽(yáng)的21.2倍，其事件視界半徑為300千米。
黑洞是怎么形成的？
目前已知的黑洞形成有幾種方式，第一種就是原初黑洞，這是宇宙大爆炸時(shí)不均勻分布的物質(zhì)形成，這也是形成超大黑洞的理論基礎(chǔ)，當(dāng)然大爆炸形成的不只是超大黑洞，還有微型黑洞，而霍金黑洞蒸發(fā)理論認(rèn)為，越小的黑洞存在的時(shí)間很短，它們有可能留存到現(xiàn)在，也有可能已經(jīng)蒸發(fā)殆盡。
另一種就是恒星演化的天體形成，比如超新星爆發(fā)時(shí)內(nèi)核直接坍縮成黑洞，也有可能中子星合并過(guò)程中質(zhì)量超過(guò)奧本海默極限而坍縮成黑洞，就“后天”生成而言，質(zhì)量是黑洞生成的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)然黑洞也可以通過(guò)合并生成更大的黑洞，不過(guò)質(zhì)量卻不是兩者相加，因?yàn)檫€有部分能量會(huì)以引力波的形式釋放，這也是黑洞質(zhì)量增加最快速的方式，而且黑洞質(zhì)量沒(méi)有上限，據(jù)目前了解到的信息，最大質(zhì)量的黑洞已經(jīng)達(dá)到了太陽(yáng)的660億倍。
由恒星坍縮而成的黑洞，盡管物質(zhì)已經(jīng)突破了中子簡(jiǎn)并力坍縮成了黑洞，看起來(lái)“一切信息”都已丟失，但仍然會(huì)保留原來(lái)恒星的角動(dòng)量、電荷和質(zhì)量，這也就是黑洞著名的“三毛定理”，也就是無(wú)毛定理，因?yàn)檫@些物質(zhì)的其他信息均已經(jīng)丟失，不過(guò)后來(lái)的霍金輻射理論認(rèn)為，這個(gè)在黑洞外部誕生的虛粒子對(duì)，在虛粒子被黑洞吞沒(méi)時(shí)向外輻射的粒子可能會(huì)帶有信息，也許信息守恒能在黑洞內(nèi)繼續(xù)守恒，當(dāng)然這只是一個(gè)猜測(cè)。
黑洞就是宇宙中的怪物，它會(huì)吞沒(méi)一切，X-1就是吞噬了HDE 226868恒星而被大家發(fā)現(xiàn)，這些物質(zhì)在黑洞的吸積盤中加速、壓縮，最后變成黑洞的質(zhì)量，當(dāng)然這些物質(zhì)也并非那么容易就范，在壓縮過(guò)程中，會(huì)將物質(zhì)激發(fā)到從電磁波開始到可見光再到X射線乃至伽馬射線的輻射，這也是辨認(rèn)黑洞的重要標(biāo)志之一。
銀心黑洞之謎：Sgr A*黑洞確認(rèn)
早在1933年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了來(lái)自銀心的強(qiáng)烈射電輻射，但當(dāng)時(shí)一直不知道這里究竟存在什么東西，因?yàn)殂y心一直被銀道面上的塵埃覆蓋，科學(xué)家的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡根本就無(wú)法穿透塵埃觀測(cè)。
1974年2月13日至15日，天文學(xué)家布魯斯·巴利克和羅伯特·布朗使用國(guó)家射電天文臺(tái)的基線干涉儀發(fā)現(xiàn)了一個(gè)明亮且非常緊湊的“人馬座-天蝎座”射電源，而Sgr A*則是布朗在1982年的一篇論文中首先提出的，其中的“*”號(hào)代表原子被激發(fā)的狀態(tài)。
不過(guò)在1980年后，科學(xué)界就認(rèn)為這個(gè)天體應(yīng)該是黑洞，但一直沒(méi)有得到證據(jù)！1994年時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者查爾斯·H·湯斯 (Charles H. Townes) 和后來(lái)的諾獎(jiǎng)得主萊因哈德·根澤爾 (Reinhard Genzel) 組成的伯克利團(tuán)隊(duì)用紅外和亞毫米光譜研究表明，Sgr A *的質(zhì)量約為300萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)左右，顯然這就是一個(gè)黑洞！
2002年時(shí)，對(duì)銀心附近一顆標(biāo)記為S2的恒星長(zhǎng)期觀測(cè)與Sgr A*的VLBI（甚長(zhǎng)基線干涉）觀測(cè)表明，S2的圍繞中心與Sgr A*所在位置高度重疊，檢查S2的開普勒軌道后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)黑洞質(zhì)量被確定為410±60萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
馬克斯普朗克地外物理研究所的Reinhard Genzel對(duì)周圍的恒星長(zhǎng)達(dá)16年的觀測(cè)最追蹤后，在2008年得出了更精確的質(zhì)量約為431±38 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，不過(guò)目前基本都以400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量為基本說(shuō)法。
2015年1月5日，NASA報(bào)告稱觀測(cè)到來(lái)自人馬座 A*的X射線耀斑比平時(shí)亮400倍，據(jù)天文學(xué)家稱應(yīng)該是有一顆小行星被黑洞的引力撕裂落入了黑洞的吸積盤中，類似的事件在2019年5月13日又發(fā)生了一次。
引力波和M87黑洞
引力波的概念在1893年就由Oliver Heaviside提出了，不過(guò)真正預(yù)言還要到愛因斯坦的廣義相對(duì)論發(fā)表后，但愛因斯坦后來(lái)又拒絕確認(rèn)引力波。
不過(guò)這個(gè)預(yù)言的第一個(gè)間接證據(jù)來(lái)自于1974年觀測(cè)到的Hulse-Taylor雙星脈沖星的軌道衰變，這與廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的衰變相吻合，因?yàn)橐椛鋾?huì)損失質(zhì)量，到了2015年9月14日LIGO-Virgo觀測(cè)到了13億光年外一個(gè)29倍和36倍的黑洞合并產(chǎn)生的引力波，其中有三個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波的形式輻射了出來(lái)。
2019年4月10日，一張由事件視界望遠(yuǎn)鏡于2017年拍攝的M87*黑洞照片發(fā)布，這也是史上第一張、也是唯一一張的黑洞照片。
M87*是室女A星系的核心黑洞，M87位在室女座，是巨大的橢圓星系，也是銀河系附近幾個(gè)質(zhì)量最大星系其中之一，而黑洞的質(zhì)量高達(dá)太陽(yáng)的66億太陽(yáng)質(zhì)量，而比較幸運(yùn)的是，即使是普通愛好者，也可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間曝光獲得M87星系和其長(zhǎng)達(dá)5,000光年的噴流。
事件視界望遠(yuǎn)鏡：究竟是怎么拍到黑洞？
M87*的黑洞照真是讓大家目睹了黑洞的“真容”，但事實(shí)上黑洞真正的照片卻是拍攝不到的，因?yàn)楹诙词悄壳岸x什么都不會(huì)發(fā)射出來(lái)（霍金輻射還未觀測(cè)到）的天體，而我們現(xiàn)在看到的照片，只是黑洞的事件視界，或者說(shuō)充其量也只是事件視界外圍的照片，因?yàn)檎嬲囊暯?，至少可見光是看不見的?/p>
什么是黑洞的事件視界？
維基的定義是：一個(gè)質(zhì)量大到附近的物質(zhì)或輻射無(wú)法逃離其重力場(chǎng)的天體。通常，這個(gè)邊界是對(duì)于黑洞的脫離速度大于光速的位置。
假如是史瓦西黑洞的話，那么這個(gè)事件視界就是史瓦西半徑（如果自轉(zhuǎn)的黑洞則會(huì)有所不一樣），在這個(gè)界面上，環(huán)繞黑洞的物體必須以光速運(yùn)行才不會(huì)掉入黑洞，顯然這對(duì)于有質(zhì)量的物體是不可能，而光子也在這里環(huán)繞黑洞公轉(zhuǎn)。
那么在靠近事件視界的區(qū)域，光子仍然是有機(jī)會(huì)逃離的，但其強(qiáng)大的引力會(huì)導(dǎo)致其多普勒頻移，從可見光變成電磁波，從事件視界向外頻移逐漸降低，最終到外圍看到頻移后仍然在可見光范圍內(nèi)的光子。
因此從理論上來(lái)看，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是可以看到銀心黑洞的，也可以看到M87*黑洞，但一個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了，第一個(gè)是黑洞吸積盤的光非常微弱，而且紅移后更暗弱，另一個(gè)則是M87*黑洞事件視界半徑為390億千米，距離5500萬(wàn)光年，而銀心黑洞則是2.6萬(wàn)光年，視界直徑為2400萬(wàn)千米。
那么要看到這樣天體的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡要多大呢？很簡(jiǎn)單，計(jì)算下即可了解，公式如下：
黑洞視界直徑/距離=1.22*波長(zhǎng)/望遠(yuǎn)鏡口徑
以可見光550納米為例，要看清楚銀心黑洞的望遠(yuǎn)鏡口徑大約需要：6.877千米，而對(duì)M87*進(jìn)行成像，那么光學(xué)望遠(yuǎn)鏡需要8.95千米，顯然地球上沒(méi)有一個(gè)望遠(yuǎn)鏡可以做到，因此科學(xué)家把目光轉(zhuǎn)向了甚長(zhǎng)基線干涉陣列。
這種技術(shù)將來(lái)自不同天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)信號(hào)收集后進(jìn)行聯(lián)合處理，使其組成一臺(tái)口徑相當(dāng)于多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間距離的虛擬射電望遠(yuǎn)鏡，但這種技術(shù)需要精確的原子鐘同步信號(hào)，記錄信號(hào)間的時(shí)間延遲差，然后再經(jīng)過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理成一個(gè)“合成圖像”。
不過(guò)要提醒下，事件視界望遠(yuǎn)鏡看到的并不是可見光，而是毫米波，這個(gè)合成出來(lái)的圖像也是只是一個(gè)射電圖像，需要將其作為可見光波段的通道導(dǎo)入，最后處理成一個(gè)黑洞的照片，由于接收到的數(shù)據(jù)太龐大，2017年拍攝的圖像，經(jīng)過(guò)2年多處理，到2019年4月10日才發(fā)布。
全球最大的FAST望遠(yuǎn)鏡：為何沒(méi)有參與
各位一定很關(guān)心這次銀心黑洞照片發(fā)布的各國(guó)天文臺(tái)直播，毫無(wú)疑問(wèn)的是我國(guó)紫金山天文臺(tái)赫然在列，但在發(fā)布EHT望遠(yuǎn)鏡時(shí)并沒(méi)有FAST，到底是什么原因？
FAST是全口單口徑最大的望遠(yuǎn)鏡，在脈沖星、觀測(cè)早期宇宙的中性氫、高分辨率射電波段巡視，檢測(cè)空間微弱射電信號(hào)、主導(dǎo)國(guó)際甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)，獲得超精細(xì)的天體結(jié)構(gòu)等做出了大量貢獻(xiàn)，但其卻沒(méi)有在列。
原因各位從上方的觀測(cè)波段為1.3毫米也許了解到了個(gè)中的原因，F(xiàn)AST觀測(cè)波段不匹配，因?yàn)镕AST觀測(cè)波段范圍從4.2厘米到10厘米左右，因此兩者不匹配是嗎？
其實(shí)并不全是，另一個(gè)原始則是FAST固定觀測(cè)角度擺動(dòng)有限，根本就看不到銀心Sgr A*的信號(hào)，各位只要稍稍留意下發(fā)布會(huì)上ETH望遠(yuǎn)鏡的全球分布圖即可了解到，參與銀心拍攝的大都是北半球低緯度以及南半球的望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)殂y心位南半球方向。
請(qǐng)注意銀心放心視角（右上圖）
所以很可惜FAST就直接錯(cuò)過(guò)了，當(dāng)然這并沒(méi)有什么問(wèn)題，因?yàn)榭辞宄诙床⒉皇撬穆氊?zé)。
另?yè)?jù)上海天文臺(tái)的EHT合作國(guó)內(nèi)協(xié)調(diào)人沈志強(qiáng)介紹稱，我國(guó)有17家單位為此次發(fā)布做出了貢獻(xiàn)，另外正在規(guī)劃建設(shè)中國(guó)的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡，未來(lái)也將參與到對(duì)Sgr A*的24小時(shí)不間斷的接力觀測(cè)。（完）
