銀河系中心黑洞距離地球有2.7萬(wàn)光年之遙，它的大小從地球上看去與從地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要給它成像，就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而才能確�！翱吹玫健薄翱吹们濉薄�

　　路如森

　　中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

　　繼2019年人類首張黑洞照片發(fā)布后，又一黑洞的“真容”被拍攝到！北京時(shí)間5月12日，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)公布了銀河系中心黑洞人馬座A＊（Sgr A＊）的首張照片。全球其他5個(gè)城市（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)臺(tái)北、日本東京、美國(guó)華盛頓）也都與上海同步公布了這張令天文學(xué)家興奮的照片。

　　這張黑洞照片是由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織，通過(guò)分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成，它的發(fā)布給出了銀河系中心人馬座A＊就是黑洞的實(shí)證，為理解這種被普遍認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”提供了寶貴的線索。

　　“組合”全球射電望遠(yuǎn)鏡為黑洞拍照

　　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)黑洞的發(fā)光氣體給出了其存在的信號(hào)。

　　廣義相對(duì)論預(yù)言，黑洞存在，周圍時(shí)空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過(guò)程中，引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，因此氣體被加熱至數(shù)十億攝氏度。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，看起來(lái)就像一片陰影，陰影周圍環(huán)繞著一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的、如新月狀的光環(huán)。

　　“完成對(duì)黑洞的成像，將為證明黑洞的存在提供直接的視覺(jué)證據(jù)�！敝袊�(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森表示，銀河系中心黑洞距離地球有2.7萬(wàn)光年之遙，它的大小從地球上看去與從地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要給它成像，就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而才能確保“看得到”“看得清”。

　　想要達(dá)到上述要求，望遠(yuǎn)鏡的口徑就需要達(dá)到地球直徑的長(zhǎng)度。然而，目前地球上已有的單個(gè)望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米。沒(méi)有地球那么大的望遠(yuǎn)鏡，如何才能給黑洞拍張合格的照片？天文學(xué)家想到了一個(gè)好辦法——強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。EHT合作組織將分布在全球6個(gè)地理位置的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡“組合”起來(lái)，形成一個(gè)猶如地球那么大的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，它的靈敏度和分辨力都是前所未有的。

　　2017年，這8個(gè)北至西班牙，南至南極的望遠(yuǎn)鏡向選定的目標(biāo)撒出一張“大網(wǎng)”，“撈”回海量數(shù)據(jù)，為我們勾勒出黑洞的模樣。但留給科學(xué)家的觀測(cè)窗口期非常短暫，每年只有大約10天時(shí)間。

　　除了觀測(cè)時(shí)間上的限制，拍攝黑洞對(duì)天氣條件的要求也極為苛刻�！耙�?yàn)榇髿庵械乃畬?duì)這一觀測(cè)波段的影響極大，水會(huì)影響射電波的強(qiáng)度，這就意味著降水會(huì)干擾觀測(cè)。”中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、研究員沈志強(qiáng)說(shuō)。

　　因此這8個(gè)望遠(yuǎn)鏡所在之處均位于海拔較高、降雨量極少、晴天概率非常高的地區(qū)。

　　此外，要成功成像還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時(shí)間上完全同步。觀測(cè)期間，每一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來(lái)自目標(biāo)黑洞附近的射電波信號(hào)，這些數(shù)據(jù)被集成用于獲得事件視界的圖像。沈志強(qiáng)說(shuō)：“為了確保信號(hào)的穩(wěn)定性，EHT利用原子鐘來(lái)確保其收集并記錄的信號(hào)在時(shí)間上的同步。”

　　為銀心黑洞提供首個(gè)直接視覺(jué)證據(jù)

　　科學(xué)家之前已觀測(cè)到眾多恒星圍繞著銀河系中心一個(gè)不可見(jiàn)的、致密的、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＊的天體是一個(gè)黑洞，而這次發(fā)布的照片則提供了首個(gè)直接的視覺(jué)觀測(cè)證據(jù)。

　　2019年，人類發(fā)布的第一張黑洞照片，捕獲的是更遙遠(yuǎn)星系M87的中心黑洞M87＊。盡管M87＊比銀河系中心的黑洞人馬座A＊大了1500多倍，也重了1500多倍，但兩個(gè)黑洞看起來(lái)格外相似。

　　“它們來(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)我們聚焦在這兩個(gè)黑洞的邊緣時(shí)，它們看起來(lái)又神奇地相似。”來(lái)自荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的理論天體物理學(xué)家、EHT科學(xué)委員會(huì)聯(lián)合主席薩拉·馬爾科夫教授說(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�！�

　　盡管人馬座A＊離地球更近，但是為其拍攝照片卻比M87＊艱難得多。來(lái)自美國(guó)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)所的科學(xué)家Chi-kwan Chan解釋道：“周圍氣體均以幾乎接近光速的速度繞著人馬座A＊和M87＊高速旋轉(zhuǎn)。氣體繞轉(zhuǎn)M87＊一周需要幾天到數(shù)周的時(shí)間，但對(duì)于小很多的人馬座A＊來(lái)說(shuō)，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。這意味著在EHT觀測(cè)人馬座A＊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。給人馬座A＊拍照有點(diǎn)像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片�！�

　　這項(xiàng)成果的實(shí)現(xiàn)，集結(jié)了來(lái)自全球80個(gè)研究機(jī)構(gòu)共300多名研究人員的奇思妙想。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來(lái)克服人馬座A＊成像面臨的挑戰(zhàn)外，EHT合作組織還花了5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)。

　　未來(lái)EHT將拍一部黑洞“電影”

　　“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�！眮�(lái)自天文與天體物理研究所的科學(xué)家Keiichi Asada表示，“利用已有的兩個(gè)質(zhì)量相差1500倍以上的黑洞的照片，我們將可以進(jìn)一步檢驗(yàn)極端環(huán)境下的引力。”

　　人馬座A＊的照片是由2017年EHT觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取的諸多照片組合制作而成的。在此后的2018年、2020年和2021年，EHT合作組織并未停止觀測(cè)研究的腳步。而且，EHT的臺(tái)站數(shù)量還在不斷增加，在2018年新增加了包括格陵蘭望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的3個(gè)新的臺(tái)站，觀測(cè)陣覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

　　在未來(lái)的計(jì)劃里，更多的望遠(yuǎn)鏡將被用來(lái)擴(kuò)展EHT觀測(cè)陣，譬如已經(jīng)建成的歐文斯山谷射電天文臺(tái)和即將建造的非洲毫米波望遠(yuǎn)鏡。除了望遠(yuǎn)鏡數(shù)量的增加，從2023年開始，EHT將進(jìn)行0.87毫米波段的觀測(cè)，相比于相同情況下的1.3毫米波段的觀測(cè)，分辨率提升了近50%。而人馬座A＊和M87＊仍是EHT合作組織最重要的科學(xué)觀測(cè)目標(biāo)，天文學(xué)家正在探究它們是如何隨時(shí)間變化的，并對(duì)其周圍磁場(chǎng)展開研究。

　　EHT數(shù)量的持續(xù)擴(kuò)展和技術(shù)革新將使得科學(xué)家可以分享更多引人注目的天文照片，甚至是黑洞“電影”�！斑\(yùn)用下一代EHT拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是天文學(xué)家的追求�！鄙蛑緩�(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)人馬座A＊的24小時(shí)不間斷的接力觀測(cè)中�！�

　　我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注高分辨率黑洞成像研究。此次的EHT合作中，我國(guó)科學(xué)家積極參與了早期EHT國(guó)際合作的共同推動(dòng)、EHT觀測(cè)時(shí)間的共同申請(qǐng)、夏威夷麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)運(yùn)行，以及后期數(shù)據(jù)處理分析等。

　　沈志強(qiáng)說(shuō)：“我們還將把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)其他目標(biāo)源，制作更多‘甜甜圈’。因?yàn)槠渌�‘甜甜圈’更迷你，所以需要更高的角分辨率，建設(shè)空間望遠(yuǎn)鏡或可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”記者 何 亮