北京時間2022年5月12日晚9點，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織正式發(fā)布了銀河系中心黑洞人馬座A*（Sgr A*）的首張照片（圖1）。這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于更遙遠(yuǎn)星系M87中央黑洞之后的又一重大突破。

在包括上海在內(nèi)的全球各地同時召開的新聞發(fā)布會上，天文學(xué)家向人們展示了位于我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的首張照片。這一成果給出了該天體就是黑洞的實證，為理解這種被認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線索。該照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織這個國際研究團(tuán)隊，通過分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成。

圖1：銀河系中心黑洞的首張照片（EHT合作組織提供）

這是我們銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的首張照片，是這個黑洞真實存在的首個直接視覺證據(jù)。該照片由分布在地球上的八個射電望遠(yuǎn)鏡組成的、一個等效于地球般大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡（即，EHT）所捕獲。望遠(yuǎn)鏡以事件視界（即，光線也無法逃脫的黑洞邊界）命名。

因為黑洞不發(fā)光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號：一個被亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)圍繞的暗弱中心區(qū)域（稱之為陰影）。照片上顯現(xiàn)出的（射電）光都是由該黑洞的強(qiáng)大引力彎曲所致，這個黑洞的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的四百萬倍。

這張照片是EHT團(tuán)隊將從Sgr A*的2017年觀測數(shù)據(jù)中提取出的不同照片平均而成（見圖2）。

這是一張期待已久的關(guān)于我們銀河系中心的大質(zhì)量天體的真面目肖像?？茖W(xué)家之前已觀測到眾多的恒星圍繞著銀河系中心一個不可見的、致密的和質(zhì)量極大的天體作軌道運(yùn)動。這已強(qiáng)烈暗示這個被稱作人馬座A*（Sagittarius A*：Sgr A*）的天體是一個黑洞，而今天發(fā)布的照片則提供了首個直接的視覺證據(jù)。

因為黑洞不發(fā)光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號：一個被亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)圍繞的暗弱中心區(qū)域（稱之為陰影）。照片上顯現(xiàn)出的（射電）光都是由該黑洞的強(qiáng)大引力彎曲所致，這個黑洞的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的四百萬倍。

“我們驚嘆于環(huán)的大小與愛因斯坦廣義相對論預(yù)測結(jié)果出奇一致，”來自天文與天體物理研究所的EHT項目科學(xué)家Geoffrey Bower說，“這些前所未有的觀測極大地提升了我們對銀河系中心所發(fā)生一切的認(rèn)識，并為了解超大質(zhì)量黑洞如何與周圍環(huán)境相互作用提供了全新視角”。EHT團(tuán)隊的研究成果今天以特刊的形式發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通信》。

因為銀河系中心黑洞距離地球有二萬七千光年之遙，所以它的大小看上去與從地球上看38萬千米遠(yuǎn)月亮上的甜甜圈大小差不多。為了給它拍這張照片，研究團(tuán)隊創(chuàng)建了觀測利器EHT，由分布在全球六地的八個射電望遠(yuǎn)鏡組成的一個猶如地球那么大的虛擬望遠(yuǎn)鏡[1]。EHT對Sgr A*開展了多個晚上的觀測，每次連續(xù)采集了好幾個小時的數(shù)據(jù)，就如同相機(jī)的長時間曝光。

這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于更遙遠(yuǎn)星系M87中央黑洞（M87*）之后的又一重大突破。

盡管我們銀河系中心的黑洞比M87*小了1500多倍，也輕了1500多倍，但兩個黑洞看起來格外相似[2]。“它們來自兩種不同類型的星系，且具有極不相同的黑洞質(zhì)量，但當(dāng)我們聚焦在這些黑洞的邊緣時，它們看起來神奇的相似，”來自阿姆斯特丹大學(xué)的理論天體物理學(xué)家、EHT科學(xué)委員會聯(lián)合主席Sera Markoff教授說，“這告訴我們靠近黑洞的物體完全受廣義相對論支配，我們在遠(yuǎn)處所看到的不同表象是由黑洞周圍物質(zhì)的差異造成的”。

盡管Sgr A*離我們更近，這項成果的得來卻比M87*艱難得多。來自斯圖爾德天文臺、亞利桑那大學(xué)天文系和數(shù)據(jù)科學(xué)所的EHT科學(xué)家Chi-kwan Chan解釋道：“黑洞周圍的氣體均以幾乎接近光速繞著Sgr A*和M87*高速旋轉(zhuǎn)。氣體繞轉(zhuǎn)M87*一周需要幾天到數(shù)周時間，但對于相對小很多的Sgr A*來說，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。這意味著就在EHT觀測Sgr A*之時，該超大質(zhì)量黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時刻快速變化著。有點像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片”。

研究人員不得不開發(fā)新的復(fù)雜的工具來考慮圍繞Sgr A*的氣體運(yùn)動。為M87*這種穩(wěn)定和幾乎所有圖案都相同的目標(biāo)成像相對容易，對于Sgr A*就完全不一樣了。Sgr A*的黑洞照片是研究團(tuán)隊提取出的不同照片平均后的效果，最終得以第一次將隱藏在我們銀河系中心的“巨獸”呈現(xiàn)出來。

這集結(jié)了來自全球80個研究機(jī)構(gòu)共300多名研究人員組成的EHT合作組織的奇思妙想才得以實現(xiàn)。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團(tuán)隊花了五年時間，用超級計算機(jī)合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對。

圖2：銀河系中心黑洞的首張照片是這樣做成的（EHT合作組織提供）

EHT合作團(tuán)隊將從Sgr A*的2017年EHT觀測數(shù)據(jù)中提取的諸多照片組合制作成一張銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的最終照片。

這張最終照片是通過將數(shù)千張使用不同計算方法得到的圖像平均起來生成的，所有這些圖像都可準(zhǔn)確擬合EHT數(shù)據(jù)。最終照片保留了在所有不同圖像中更常見的特征，并抑制了不常見的特征。

上述數(shù)千張不同圖像的集合可以根據(jù)它們相似的特征分成四個子集。圖底部一排顯示的是每個子集的平均代表性圖像。其中三個子集的圖像都呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，只是環(huán)狀周圍的亮度分布不同。第四個子集包含的圖像盡管也能與數(shù)據(jù)吻合，但看上去不像個環(huán)。

柱狀圖顯示了屬于每個子集的圖像的相對數(shù)量。前三個子集中每個都有數(shù)千張照片，而第四個也是最小的子集中只有數(shù)百張照片。柱狀圖的高度代表每個子集對最終照片的相對“權(quán)重”或貢獻(xiàn)。

來自上海天文臺的EHT合作成員路如森說：“確實，對銀河系中心黑洞首次成像觀測的數(shù)據(jù)分析耗費(fèi)了EHT合作團(tuán)隊的巨大心血。”另一位來自上海天文臺的EHT合作成員江悟補(bǔ)充道：“研究團(tuán)隊遍歷了極大的成像參數(shù)空間，才得以確定這張黑洞照片?！?/p>

科學(xué)家對最終獲得兩個不同大小黑洞的照片尤其興奮，這為他們的對照研究提供了條件。他們已經(jīng)開始用這些新的數(shù)據(jù)來檢驗超大質(zhì)量黑洞周圍氣體行為的相關(guān)理論和模型。目前這個過程尚不完全清楚但被認(rèn)為對星系的形成和演化起了關(guān)鍵作用。

“現(xiàn)在我們能就這兩個超大質(zhì)量黑洞的差異展開研究，以獲取對理解這個重要過程有價值的新線索，”來自天文與天體物理研究所的EHT科學(xué)家Keiichi Asada表示。“我們已有了兩個質(zhì)量相差1500倍以上的黑洞的照片，相比過去，我們將可以進(jìn)一步更深入地檢驗極端環(huán)境下的引力”。

EHT并未停止觀測研究的腳步：就在今年3月份剛完成了有更多望遠(yuǎn)鏡參與的聯(lián)合觀測。EHT的持續(xù)擴(kuò)展和技術(shù)革新將使得科學(xué)家可以分享更引人注目的照片，包括在不久的將來的黑洞“電影”。

“拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是下一代EHT的追求?！眮碜陨虾Ｌ煳呐_的EHT合作國內(nèi)協(xié)調(diào)人沈志強(qiáng)說。“我們正在規(guī)劃建設(shè)中國的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡，以期參與到對Sgr A*的24小時不間斷的接力觀測中?！?/p>

注釋：

[1] 參與2017年EHT觀測的8個望遠(yuǎn)鏡是：ALMA（阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列）、APEX（阿塔卡馬探路者實驗望遠(yuǎn)鏡）、IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡、JCMT（詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡）、LMT（大型毫米波望遠(yuǎn)鏡）、SMA（亞毫米波陣列）、SMT（亞毫米波望遠(yuǎn)鏡）、SPT（南極望遠(yuǎn)鏡）。這些年來，EHT又有新的望遠(yuǎn)鏡加入，包括：GLT（格陵蘭望遠(yuǎn)鏡）、NOEMA（北天延展毫米波陣列）和基特峰12米望遠(yuǎn)鏡。

[2] 黑洞是我們所知的其大小與質(zhì)量成正比的唯一天體，兩個大小相差一千倍的黑洞，它們的質(zhì)量也相差一千倍。