5月12日，“中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)”公眾號(hào)消息，在包括上海在內(nèi)的全球各地同時(shí)召開的新聞發(fā)布會(huì)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(shí)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(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)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(gè)黑洞真實(shí)存在的首個(gè)直接視覺(jué)證據(jù)。該照片由分布在地球上的八個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的、一個(gè)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(wú)法逃脫的黑洞邊界）命名。

因?yàn)楹诙床话l(fā)光，所以我們看不見(jiàn)黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號(hào)：一個(gè)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(gè)黑洞的質(zhì)量超過(guò)了太陽(yáng)質(zhì)量的四百萬(wàn)倍。

這張照片是EHT團(tuán)隊(duì)將從Sgr A*的2017年觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取出的不同照片平均而成（見(jiàn)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。科學(xué)家之前已觀測(cè)到眾多的恒星圍繞著銀河系中心一個(gè)不可見(jiàn)的、致密的和質(zhì)量極大的天體作軌道運(yùn)動(dòng)。這已強(qiáng)烈暗示這個(gè)被稱作人馬座A*（Sagittarius A*：Sgr A*）的天體是一個(gè)黑洞，而今天發(fā)布的照片則提供了首個(gè)直接的視覺(jué)證據(jù)。

因?yàn)楹诙床话l(fā)光，所以我們看不見(jiàn)黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號(hào)：一個(gè)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(gè)黑洞的質(zhì)量超過(guò)了太陽(yáng)質(zhì)量的四百萬(wàn)倍。

“我們驚嘆于環(huán)的大小與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)結(jié)果出奇一致，”來(lái)自天文與天體物理研究所的EHT項(xiàng)目科學(xué)家Geoffrey Bower說(shuō)，“這些前所未有的觀測(cè)極大地提升了我們對(duì)銀河系中心所發(fā)生一切的認(rèn)識(shí)，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(duì)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》。[詳見(jiàn)后附鏈接]

因?yàn)殂y河系中心黑洞距離地球有二萬(wàn)七千光年之遙，所以它的大小看上去與從地球上看38萬(wàn)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(duì)創(chuàng)建了觀測(cè)利器EHT，由分布在全球六地的八個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的一個(gè)猶如地球那么大的虛擬望遠(yuǎn)鏡[1]。EHT對(duì)Sgr A*開展了多個(gè)晚上的觀測(cè)，每次連續(xù)采集了好幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，就如同相機(jī)的長(zhǎng)時(shí)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(gè)黑洞看起來(lái)格外相似[2]?！八鼈儊?lái)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(shí)，它們看起來(lái)神奇的相似，”來(lái)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(huì)聯(lián)合主席Sera Markoff教授說(shuō)，“這告訴我們靠近黑洞的物體完全受廣義相對(duì)論支配，我們?cè)谶h(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(xiàng)成果的得來(lái)卻比M87*艱難得多。來(lái)自斯圖爾德天文臺(tái)、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(shí)間，但對(duì)于相對(duì)小很多的Sgr A*來(lái)說(shuō)，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。這意味著就在EHT觀測(cè)Sgr A*之時(shí)，該超大質(zhì)量黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時(shí)刻快速變化著。有點(diǎn)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(lái)考慮圍繞Sgr A*的氣體運(yùn)動(dòng)。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(duì)容易，對(duì)于Sgr A*就完全不一樣了。Sgr A*的黑洞照片是研究團(tuán)隊(duì)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(lái)。

這集結(jié)了來(lái)自全球80個(gè)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(shí)現(xiàn)。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來(lái)克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團(tuán)隊(duì)花了五年時(shí)間，用超級(jí)計(jì)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(kù)與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)。

圖2：銀河系中心黑洞的首張照片是這樣做成的?。‥HT合作組織提供）

EHT合作團(tuán)隊(duì)將從Sgr A*的2017年EHT觀測(cè)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(guò)將數(shù)千張使用不同計(jì)算方法得到的圖像平均起來(lái)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(jiàn)的特征，并抑制了不常見(jiàn)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(gè)子集。圖底部一排顯示的是每個(gè)子集的平均代表性圖像。其中三個(gè)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(gè)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(gè)環(huán)。

柱狀圖顯示了屬于每個(gè)子集的圖像的相對(duì)數(shù)量。前三個(gè)子集中每個(gè)都有數(shù)千張照片，而第四個(gè)也是最小的子集中只有數(shù)百?gòu)堈掌Ｖ鶢顖D的高度代表每個(gè)子集對(duì)最終照片的相對(duì)“權(quán)重”或貢獻(xiàn)。

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

科學(xué)家對(duì)最終獲得兩個(gè)不同大小黑洞的照片尤其興奮，這為他們的對(duì)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(lái)檢驗(yàn)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(gè)過(guò)程尚不完全清楚但被認(rèn)為對(duì)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(gè)超大質(zhì)量黑洞的差異展開研究，以獲取對(duì)理解這個(gè)重要過(guò)程有價(jià)值的新線索，”來(lái)自天文與天體物理研究所的EHT科學(xué)家Keiichi Asada表示?！拔覀円延辛藘蓚€(gè)質(zhì)量相差1500倍以上的黑洞的照片，相比過(guò)去，我們將可以進(jìn)一步更深入地檢驗(yàn)極端環(huán)境下的引力”。

EHT并未停止觀測(cè)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(cè)。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(lái)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?lái)自上海天文臺(tái)的EHT合作國(guó)內(nèi)協(xié)調(diào)人沈志強(qiáng)說(shuō)。“我們正在規(guī)劃建設(shè)中國(guó)的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡，以期參與到對(duì)Sgr A*的24小時(shí)不間斷的接力觀測(cè)中?！?

注釋：

[1] 參與2017年EHT觀測(cè)的8個(gè)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(shí)驗(yàn)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(lái)，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(gè)大小相差一千倍的黑洞，它們的質(zhì)量也相差一千倍。