作者：安德魯·格蘭特
編譯：純珍
圖片來源： EHT 合作
隱藏在銀河氣體霧中的人馬座 A* 被證明是事件視界望遠鏡團隊的一個棘手的成像目標。
一個明亮的等離子體環圍繞銀河系中心的超大質量黑洞人馬座 A* 運行。
在分享一個黑洞的歷史圖像三年後，事件視界望遠鏡 (EHT) 合作推出了第二個主題的肖像：人馬座 A*，它是位於銀河系中心的 400 萬個太陽質量的黑洞。在光子軌道半徑處有一圈明亮的等離子體環。位於圖像陰影中心所描繪區域的任何向內移動的光子最終都會穿過不歸路，即事件視界。研究結果在世界各地的幾次新聞發布會上公布，並發表在《天體物理學雜誌快報》的一系列論文中。
如果你認為模糊的環形圖形看起來很熟悉，那是一件好事。儘管人馬座 A* 比 EHT 在2019 年拍攝的銀行系 Messier 87 (M87) 中央黑洞近三個數量級，但人馬座 A* 的質量也小了三個數量級，因此兩個黑洞的角度大小非常相似。根據廣義相對論，陰影的大小僅由事件視界的半徑決定，而事件視界的半徑又與黑洞的質量成正比。亞利桑那大學天體物理學家和 EHT 創始成員 Feryal Özel 在華盛頓特區舉行的新聞發布會上說， 「不管黑洞的質量或周圍是什麼，時空以完全相同的方式圍繞黑洞扭曲」。
這兩個黑洞的圖像是2017 年 4 月從分散在世界各地的八台毫米波望遠鏡收集的數據分析得到的結果。通過使用安裝在每個觀測點的原子鐘對測量結果進行時間戳記，研究人員能夠使用一種稱為超長基線干涉測量法的技術組合數據，以實現與地球大小的望遠鏡相當的解析度。在校準數據和改進成像演算法後，EHT 團隊能夠在 2018 年 6 月之前將 2017 年對 M87* 的觀測結果轉化為類似於最終產品的四張圖像。獲得射手座 A* 的肖像帶來了額外的挑戰——並且需要一點運氣。
圖片來自：Keith Vanderlinde
上圖是位於南極洲阿蒙森-斯科特南極站的 10 米南極望遠鏡是觀測人馬座 A* 的八台望遠鏡之一。
亞利桑那大學的天體物理學家、EHT 合作的創始成員 Dimitrios Psaltis 說，在許多方面，M87* 都是第一個完美的選擇主題。雖然M87 星系位於 5500 萬光年之外，但它的方向幾乎垂直於我們的銀河平面，這為黑洞目標提供了相對無氣體和無塵埃的視線。相比之下，捕捉人馬座 A* 的陰影需要從我們在銀河系圓盤內的有利位置向內看，直接進入大約 27000 光年外的擁擠銀河中心。沿視線方向的等離子體自由電子密度的波動會在微波中引入相位變化，以供EHT檢測。結果是源圖像模糊。
EHT 研究人員知道他們將不得不應對這種模糊現象，這是他們選擇在 1.3 毫米而不是更大波長進行觀測的主要原因，因為波長更大，散射更劇烈。為了進一步消除氣體和塵埃的影響，該團隊開發了一個模糊效應模型，並用 EHT 天文台進行了單獨的觀測，以量化各種模型參數。最後，Psaltis 說，模糊的影響比團隊擔心的要小。
第二個複雜的因素是射手座 A* 的大小。如果 M87* 被放置在我們太陽系的中心，它的事件視界將位於星際空間中旅行者 1號探測器附近的某個地方；射手座 A* 無法進入水星軌道。這意味著環繞銀河系中心黑洞的等離子體可以在幾分鐘內完成一個軌道，而環繞 M87* 的等離子體則需要幾天或幾周的時間。
EHT 望遠鏡網路能夠實現如此高解析度的部分原因在於它可以在地球旋轉時從不同角度捕捉目標，就像計算機斷層掃描機從多個位置進行掃描一樣。在這兩種情況下，都假定對象是靜態的。「演算法假設你正在拍照的東西是固定的，」Psaltis 說。「如果拍照需要 10 個小時，M87* 不會有太大變化，但對於人馬座 A* 來說，等離子體已經繞了 50 圈。」 他和他的同事擔心黑洞的環境運動太快，以至於長時間曝光的觀測永遠無法達到足夠的解析度——而且沒有任何模型能夠抵消這種影響。幸運的是，對於 EHT 團隊來說，模糊再次沒有那麼可怕。「事實證明這是一個比預期更溫和、更合作的黑洞。」
圖片來自：ESO/ S. Guisard
這張 2009 年在智利 Cerro Paranal 山拍攝的照片捕捉到了銀河系繁忙、塵土飛揚的中心，其中包括超大質量黑洞人馬座 A*。
在 2019 年 4 月發布 M87* 結果後休息後，300 多名成員的團隊加入了射手座 A* 的工作。對 M87* 的成像和建模工作至關重要的面對面會議被全球合作者之間的 Zoom 會議所取代。「這就是為什麼它花了三年而不是八個月的一個重要原因，」Psaltis 說。
新圖像補充了科學家們近年來獲得的關於銀河系超大質量黑洞的知識。例如，2020 年諾貝爾獎獲得者 Andrea Ghez 和 Reinhard Genzel 領導的團隊追蹤了在人馬座 A* 附近危險軌道上運行的恆星的運動，並確定了黑洞質量的精度約為 1%。在今天圖像中，測量到的陰影角度大小為 51.8 ± 2.3 μ，這與廣義相對論對黑洞質量和距離處的預測是一致的。該圖像還顯示，從地球上看，人馬座 A* 大致面向正面，而不是與銀河平面對齊。
文章來源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220512a/full/
