北京时间5月12日晚 在全球各地同时召开的新闻发布会上 天文学家向人们展示了位于银河系中心（银心）的 超大质量黑洞的首张照片 这一成果给出了该天体就是黑洞的实证 为理解这种被认为居于大多数星系中心的 ＂巨兽＂的行为提供了宝贵的线索 该照片由事件视界望远镜（EHT）合作组织 通过分布在全球的射电望远镜组网＂拍摄＂而成 北京大学的三位科学家 深度参与了这项重大发现 他们是科维理天文与天体物理研究所 所长何子山教授、邵立晶研究员 和未来技术学院孙赫研究员 黑洞，打开未知之窗 图1：银河系中心黑洞的首张照片 这是我们银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的首张照片，是这个黑洞真实存在的首个直接视觉证据。 该照片由分布在地球上的八个射电望远镜组成的、一个等效于地球般大小的虚拟望远镜（即，EHT）所捕获。望远镜以事件视界（即，光线也无法逃脱的黑洞边界）命名。 因为黑洞不发光，所以我们看不见黑洞自身，但绕转的发光气体给出了其存在的信号：一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域（称之为阴影）。照片上显现出的（射电）光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致，这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。 这张照片是EHT团队将从Sgr A*的2017年观测数据中提取出的不同照片平均而成（见图2）。 这是一张期待已久的关于我们银河系中心的大质量天体的真面目肖像。 从地圆说，到日心说，再到对银河系的认识，人类从未停下对自身所处环境的探索，不断从更广阔的尺度了解我们所处的环境。而这次发布的照片，则提供了银河系中心存在黑洞的首个直接的视觉证据。 我们为什么要观测黑洞？北京大学科维理天文与天体物理研究所的邵立晶研究员谈到， ＂ 黑洞是广义相对论预言的特殊天体，通过对黑洞的性质进行观测，我们将对物理学基础理论有更好的理解。 随着周围物质逐渐被吸入黑洞而释放能量，临近视界的部分温度更高也更加明亮 ＂ ＂我们惊叹于环的大小与爱因斯坦广义相对论预测结果出奇一致，＂来自台北天文与天体物理研究所的EHT项目科学家Geoffrey Bower说，＂这些前所未有的观测极大地提升了我们对银河系中心所发生一切的认识，并为了解超大质量黑洞如何与周围环境相互作用提供了全新视角。＂ ＂ EHT团队的研究成果5月12日以特刊的形式发表在《天体物理学杂志通信》。（点击阅读原文，查看详细内容） 因为银河系中心黑洞距离地球有二万七千光年之遥，所以它的大小看上去与从地球上看38万千米远的月亮上的甜甜圈大小差不多。在物理上，通常来说，望远镜越大，分辨率越好；EHT则是相当于由分布在全球六地的八个射电望远镜组成的一个犹如地球那么大的虚拟望远镜[1]，所以拥有足够高的分辨率。EHT对Sgr A*开展了多个晚上的观测，每次连续采集了好几个小时的数据，就如同相机的长时间曝光。 EHT望远镜分布 这是EHT合作组织继2019年发布人类第一张黑洞照片，捕获了位于更遥远星系M87中央黑洞（M87*）之后的又一重大突破。 尽管我们银河系中心的黑洞比M87*小了1500多倍，也轻了1500多倍，但两个黑洞看起来格外相似[2]。 ＂ ＂它们来自两种不同类型的星系，且具有极不相同的黑洞质量，但当我们聚焦在这些黑洞的边缘时，它们看起来神奇的相似，＂来自阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席Sera Markoff教授说，＂这告诉我们靠近黑洞的物体完全受广义相对论支配，我们在远处所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的。＂ ＂ 挑战中诞生的新成果 尽管Sgr A*离我们更近，这项成果的得来却比M87*艰难得多。来自斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的EHT科学家Chi-kwan Chan解释道： ＂ 黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着Sgr A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需要几天到数周时间，但对于相对小很多的Sgr A*来说，几分钟内气体即可绕转一周。这意味着就在EHT观测Sgr A*之时，该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着。有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。 ＂ 研究人员不得不开发新的复杂的工具来考虑围绕Sgr A*的气体运动。为M87*这种稳定和几乎所有图案都相同的目标成像相对容易，对于Sgr A*就完全不一样了。Sgr A*的黑洞照片是研究团队提取出的不同照片平均后的效果，最终得以第一次将隐藏在我们银河系中心的＂巨兽＂呈现出来。 这集结了来自全球80个研究机构共300多名研究人员组成的EHT合作组织的奇思妙想才得以实现。除了开发复杂的工具来克服Sgr A*成像面临的挑战外，研究团队花了五年时间，用超级计算机合成和分析数据，编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。 图2：银河系中心黑洞的首张照片是这样做成的（EHT合作组织提供） EHT合作团队将从Sgr A*的2017年EHT观测数据中提取的诸多照片组合制作成一张银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的最终照片。 这张最终照片是通过将数千张使用不同计算方法得到的图像平均起来生成的，所有这些图像都可准确拟合EHT数据。最终照片保留了在所有不同图像中更常见的特征，并抑制了不常见的特征。 上述数千张不同图像的集合可以根据它们相似的特征分成四个子集。图底部一排显示的是每个子集的平均代表性图像。其中三个子集的图像都呈环状结构，只是环状周围的亮度分布不同。第四个子集包含的图像尽管也能与数据吻合，但看上去不像个环。 柱状图显示了属于每个子集的图像的相对数量。前三个子集中每个都有数千张照片，而第四个也是最小的子集中只有数百张照片。柱状图的高度代表每个子集对最终照片的相对＂权重＂或贡献。 EHT，北大科学家在场 与EHT巨额工作量匹配的是其规模庞大的团队。目前，EHT团队共有科研工作者三百余人，他们分别承担了理论的研究解释、数据处理以及观测工作。北京大学的三位科学家也深度参与其中，他们是科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授、邵立晶研究员和未来技术学院孙赫研究员。 EHT2020年成图工作组一次讨论会集体照 孙赫研究员在EHT负责图像处理软件的开发和银心黑洞数据的分析工作。 ＂ ＂对银河系中心的超大质量黑洞的成像不仅仅是重大的科学发现，也代表着工程技术的巨大进展，＂孙赫研究员这样说，＂这是天文学和计算机等工程领域的完美融合，也预示着人工智能在科学成像的领域无穷可能性。＂ ＂ 北京大学科维理天文与天体物理研究所的邵立晶研究员参与了EHT合作组在黑洞理论与引力检验方面的合作研讨，他补充道：＂爱因斯坦的广义相对论是个十分优美的物理理论。它预言了所有的黑洞在数学结构上都是类似的，是一片异常简单的四维时空区域，与黑洞的质量没有关系。对这种‘简单事物’的观测和实验探索，本身就是一种美学意义上的享受。＂ 2020年，邵立晶在北京未来剧院作题为＂爱因斯坦对了吗？＂的科普讲演 当下，EHT在不断推进观测研究的进程。今年3月份，EHT完成了有更多望远镜参与的联合观测，之后，也会有越来越多的望远镜加入EHT项目建设。EHT的规模扩展和技术革新使得更多照片与黑洞＂电影＂的输出得以可能。 建设基础学科，青年助力强国 基础学科的研究往往耗资巨大，又需要大量人力，故目前世界范围内基础学科的研究，都朝着开展大规模合作的方向发展。近些年，我国科学工作者通过参加国际合作，产出了许多重要成果。 国内的基础学科发展起步较晚，但在国家的高度重视和大力扶持下，近些年，我国的基础学科探索不断深入。 ＂ ＂对银心黑洞物理的探索，不仅能够让我们更好地理解天文学上星系的构造和演化，周围环境的反馈，也是对物理学基础定律的有益探究，具有十分重要的意义。＂北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授总结到，＂国内有越来越多的年轻科研人员能够参与到这样具有历史意义的大发现中，与国家对基础天文学的投入是分不开的。＂ ＂ 北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授 北京大学科维理天文与天体物理研究所的邵立晶研究员提到，＂基础学科的发展需要长期的投入，尤其是在人才培养方面。培养一支青年人才队伍，让他们成为大的科学项目和国际合作的中流砥柱，这是我们需要以几十年计的战略目标。＂ 而北大，正紧紧跟随国家的脚步，以基础学科建设助力国家综合实力增长。近些年，北京大学天文学专业国际排名逐步攀升，目前为亚洲第二。 北京大学科维理天文与天体物理研究所成立 更多的探索 正在等待着北大天文 北大也将努力建设基础学科 以科研助力强国 注释： [1]参与2017年EHT观测的8个望远镜是：ALMA（阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列）、APEX（阿塔卡马探路者实验望远镜）、IRAM30米望远镜、JCMT（詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜）、LMT（大型毫米波望远镜）、SMA（亚毫米波阵列）、SMT（亚毫米波望远镜）、SPT（南极望远镜）。这些年来，EHT又有新的望远镜加入，包括：GLT（格陵兰望远镜）、NOEMA（北天延展毫米波阵列）和基特峰12米望远镜。 [2]黑洞是我们所知的其大小与质量成正比的唯一天体，两个大小相差一千倍的黑洞，它们的质量也相差一千倍。 来源：北京大学融媒体中心、北京大学科维理天文与天体物理研究所 图片：北京大学教务部公众号、EHT合作组织、ETH项目网站、果壳网、NASA戈达德航天中心、上海天文台 编辑：孙治宇、马骁 排版：唐儒雅 责编：戴璐瑶 太！浪！漫！输入生日，收下你的专属星光！ 红楼缘深七十年！北大祝法大生日快乐！ 北大的＂紫藤萝瀑布＂：万花灿烂，生生不息！ 北大原创，版权所有 若需转载，敬请联络 期待投稿，欢迎合作 邮箱：gbdgw@pku.edu.cn 期待更多探索
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