银河系中心黑洞的首张照片
2022年5月12日21点07分，在全球七地同步举行的新闻发布会上，事件视界望远镜（EHT）合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A*（Sgr A*）的首张照片。
在中科院上海天文台的发布会上，台长沈志强研究员通过网络直播向数以万计的中国观众展示了这张“甜甜圈”照片。这是2019年人类首次拍到M87黑洞之后的第二张黑洞照片，并进一步证明了爱因斯坦广义相对论的正确性。黑洞照片的背后，凝聚着中国科学家们的智慧和努力。
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探索银河系中心的奥秘
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银河系是一个棒旋星系，多条悬臂绕着中心旋转。地球所处的太阳系位于猎户座悬臂，距离银河系中心2.7万光年。从伽利略在望远镜里向这个云状的银心看过去之后，人类就一直在探寻银心的奥秘。上世纪50年代射电技术的诞生，发现这块被称为人马座A的区域成为银河系内里最亮的地方。
X射线下的人马座A | NASA
1974年，布鲁斯·巴里克和罗伯特·布朗利用美国国家射电天文台（绿岸望远镜）发现了银河系中心的一个非常亮而致密的射线源，后来称之为人马座A*（Sgr A*）。人们由此推测银河系中心存在一个黑洞。
2002年，马克斯·普朗克外空物理学研究所的莱因哈德·根泽尔小组，公布了一颗恒星10年围绕Sgr A*运动的结果，表明银河系中心的天体质量大于4百万倍太阳质量。2009年，安德莉娅·盖兹小组公布了更多的恒星绕行的观测结果，再次表明位于Sgr A*很大可能是黑洞，因为没有其他已知的天体能在这么小的区域聚集这么大的质量。该研究为两人赢得了2020年的诺贝尔物理学奖。
“中国科研人员也一直在探索银心黑洞。”EHT合作成员、上海天文台研究员路如森说，沈志强领导的科研团队于2005年在3毫米观测波长的精度下，获得了Sgr A*的图像。而他自己则在1.3毫米波长段对Sgr A*进行了观测。“从地球到银河系中心，我们能够看到丰富多彩的天体”。
为了能够“看到”银心黑洞，国际天文学家们启动了EHT项目，准备联手给它拍张照。这绝对是一个巨大的挑战：从地球上拍摄银心黑洞，相当于从地球拍摄月亮上的一只甜甜圈。因此，“相机”的镜头需要足够巨大，才能拍摄出清晰的照片。
2017年，位于南极、智利、墨西哥、美国亚利桑那、夏威夷、西班牙6地的8个亚毫米波射电望远镜（阵）同时对银心进行了密集观测。这些波长在1.3毫米的望远镜（阵）组成的VLBI阵列，形成了一个犹如地球大小的虚拟望远镜，最终成功拍到了银心黑洞的真容。
图：2017年4月份参加EHT观测的8个VLBI台站，其中由于位置限制，位于南极的SPT望远镜无法观测到M87*，图片来源：EHT
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银心黑洞拍照面临更多困难
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在公布的照片里，银心黑洞周边是一圈红色的光斑，但看上去似乎要比2019年公布的M87黑洞照片要模糊一些，中心的黑洞也要小一圈。
图：银心附近恒星的运动视频，
图片来源：Keck/UCLA Galactic Center Group
与5500万光年外的M87黑洞相比，银心黑洞尽管距离地球更近，但质量只有太阳的400万倍，而前者的质量却有太阳的65亿倍多。对于质量与大小成正比的黑洞而言，M87黑洞半径是银心黑洞的1500倍以上。因此银心黑洞的小抵消了它近的优势，使得银心黑洞的成像并不比M87黑洞简单。同时，EHT合作成员、上海天文台副研究员江悟指出，散射效应和快速时变让银心黑洞的拍摄难上加难。
图：哈勃空间望远镜拍摄的M87，图片版权：NASA
江悟解释说，地球和银心之间存在大量气体和尘埃，对于划过银心黑洞的射电信号产生了散射效应，这就需要更短的波长来提高分辨率。快速时变是由于黑洞周围的气体以几乎接近光速绕着黑洞高速旋转造成的。气体绕转M87黑洞一周需要几天到数周时间，但对于相对小很多的银心黑洞来说，几分钟内气体即可绕转一周。“这意味着给银心黑洞拍照，相当于给运动中的物体拍照，非常考验拍照的技术和水平。”江悟说，“在短短10多个小时的拍照时间里，M87黑洞周边风轻云淡、轮廓清晰；银心黑洞周边则是风起云涌，变幻莫测。”为此，研究人员不得不开发新的复杂的工具来消除气体运动影响。
图：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）
除了开发复杂的工具来克服成像面临的挑战外，研究团队花了5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。最终的银心黑洞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。
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再次验证广义相对论
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“尽管两个黑洞大小和质量相差1500多倍，但M87黑洞和银心黑洞的阴影却非常相似。这表明在黑洞周围，爱因斯坦的广义相对论预测结果出奇一致。”沈志强说，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。
图：广义相对论预言，将会看到一个近似圆形的暗影被一圈光子圆环包围。由于旋转效应，黑洞左侧更亮。图片版权：D. Psaltis and A. Broderick
科学家对最终获得两个不同大小黑洞的照片尤其兴奋，这为他们的对照研究提供了条件。他们已经开始用这些新的数据来检验超大质量黑洞周围气体行为的相关理论和模型。目前这个过程尚不完全清楚但被认为对星系的形成和演化起了关键作用。
在EHT合作组中，有来自中科院上海天文台、李政道研究所、北京大学、中国科学技术大学、南京大学、中科院云南天文台、华中科技大学7家机构的17位中国大陆学者。他们积极参与早期EHT国际合作的共同推动、EHT望远镜观测时间的共同申请、夏威夷JCMT望远镜的观测运行、后期数据处理分析和结果分析等工作。
M87的多波段观测结果，天马射电望远镜参加其中EVN的170mm和EAVN的13mm及7mm观测。 | Event Horizon Telescope Collaboration
在EHT全球联合多波段观测的2017年3-5月期间，上海65米天马望远镜作为东亚VLBI网的主力测站参加了17次对M87黑洞和银心黑洞的VLBI协同观测，显著提高了东亚VLBI网的观测灵敏度，在微弱信号探测方面发挥作用。
“拍摄一部银河系中心黑洞的‘电影’，是下一代EHT的追求。”沈志强说，“我们需要更多的天线、更高频率和灵敏度、更多的数据记录，从而拍摄到更多清晰的实时和动态照片。”
他透露，上海天文台正在规划建15米亚毫米波望远镜，以期参与到对银心黑洞的24小时不间断的接力观测中。
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作者：耿挺
原标题：《又一个甜甜圈！离我们更近的银河系中心黑洞首次“露面”！》