據(jù)科普中國(guó)，3年前，人類拍攝的首張黑洞照片亮相。

而今天，我們看到了第二張黑洞照片，這個(gè)黑洞，離我們更近。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。

此前，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了“銀河系中心黑洞的發(fā)現(xiàn)”。今天EHT發(fā)布的照片提供了該超大質(zhì)量黑洞存在的直接視覺(jué)證據(jù)。

銀河系中心黑洞距離地球有二萬(wàn)七千光年之遙

據(jù)央視新聞，這是一張期待已久的關(guān)于銀河系中心的大質(zhì)量天體的真面目肖像?？茖W(xué)家之前已觀測(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。

圖片來(lái)源：央視新聞

銀河系中心黑洞距離地球有二萬(wàn)七千光年之遙，為了拍這張照片，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。EHT對(duì)Sgr A*開(kāi)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。

幾十年前，銀河系中心黑洞被“發(fā)現(xiàn)”了

據(jù)科普中國(guó)，上世紀(jì)50年代后期，隨著全天射電源普查的開(kāi)展，人們發(fā)現(xiàn)有一類強(qiáng)烈射電源的光學(xué)對(duì)應(yīng)體看起來(lái)似乎是恒星，但是卻有著讓人難以理解的光學(xué)光譜，它們被天文學(xué)家稱為類星體。1963年，Schmidt（Schmidt 1963）通過(guò)在類星體3C 273的光譜中識(shí)別出強(qiáng)紅移的氫的巴爾末線，一舉解決了這個(gè)難題, 他的結(jié)論是：3C 273不是恒星，而是一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的極其明亮的核。

由于大多數(shù)類星體具有非常大的紅移，距離人類非常遙遠(yuǎn)，并且由于這些類星體的亮度與銀河系中的普通恒星差別不大, 因此它們有著巨大的能量，其輻射的功率可超過(guò)一個(gè)普通星系輻射總功率的成千上萬(wàn)倍。然而，它們的光度卻能在幾天到幾周內(nèi)就會(huì)發(fā)生顯著的變化，表明類星體的尺度只有幾光天到幾光周的大小。那么問(wèn)題來(lái)了，類星體的巨大能量來(lái)自哪里呢？

類星體發(fā)現(xiàn)后, 人們陸續(xù)提出各種模型來(lái)解釋類星體的產(chǎn)能機(jī)制。在這些模型中， 超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)產(chǎn)生的輻射逐漸成為被廣為接受的解釋。

上世紀(jì)60年代末，Lynden-Bell提出，許多星系在其中心都有一個(gè)質(zhì)量高達(dá)百萬(wàn)倍到幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。他斷言這樣一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞是過(guò)去活躍的 "類星體階段"的殘余物（Lynden-Bell 1969）。同樣，銀河系也不應(yīng)例外。兩年后, Lynden-Bell 和 Rees（1971）論證了銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞, 并提出甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)很快就能確定銀河系中心黑洞的大小。

人們進(jìn)一步理解了類星體的本質(zhì)，不過(guò)探測(cè)與銀河系中心黑洞相聯(lián)系的致密射電源卻經(jīng)歷了一個(gè)艱難而又妙趣橫生的過(guò)程。（感興趣的讀者可以參閱Goss, Brown & Lo 2003）

1974年2月，Balick & Brown用美國(guó)的綠岸射電干涉儀正式探測(cè)到對(duì)應(yīng)銀河系中心黑洞的致密射電源。此后，人們對(duì)該致密射電源提出了不同的命名，但最終只有Sgr A* 這一名稱經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)而被人們接受（Brown 1982）。Brown給出的解釋是，這一命名類比了原子物理學(xué)中激發(fā)態(tài)原子的命名方式。

毫不夸張的說(shuō)，人類認(rèn)識(shí)到“Sgr A*就是對(duì)應(yīng)于銀河系中心四百多萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的射電源”，代表著我們對(duì)星系核理解有了一次根本性的進(jìn)步。此后的幾十年間，人們直接探測(cè)該黑洞的渴望不斷地助推技術(shù)的發(fā)展，使人類能夠一步步地“接近”黑洞的邊緣。

從厘米波到毫米波，用VLBI接近Sgr A*

對(duì)Sgr A*的首次探測(cè)經(jīng)歷了很多次嘗試才成功，主要因?yàn)殂y河系中心受到強(qiáng)烈的星際散射的影響（Davies, Walsh & Booth 1976）。

由于散射效應(yīng)的主導(dǎo)，Sgr A*在厘米及更長(zhǎng)的波段所觀測(cè)到的形狀呈現(xiàn)為一個(gè)東西方向的橢圓高斯，其大小跟觀測(cè)波長(zhǎng)的平方成正比。在VLBI技術(shù)發(fā)展的初期，由于當(dāng)時(shí)射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)目非常有限，需要在“正確”的觀測(cè)波長(zhǎng)并在“合適”距離的射電望遠(yuǎn)鏡之間才能夠探測(cè)到Sgr A*。

由于散射效應(yīng)會(huì)隨著觀測(cè)頻率的升高迅速減小，因而，只有在（亞）毫米波段才能夠擺脫散射的影響，看清Sgr A*的真面目。

實(shí)際上，在波長(zhǎng)長(zhǎng)于幾厘米時(shí)，觀測(cè)到的Sgr A*的結(jié)構(gòu)完全是由散射主導(dǎo)的。在大約1厘米及更短的波長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)，Sgr A*的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)才逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。隨著觀測(cè)波長(zhǎng)不斷減小到（亞）毫米波段，一方面干涉儀的分辨本領(lǐng)會(huì)不斷增加，另一方面更容易克服同步輻射自吸收引起的不透明度影響。這些都有利于逐漸看清越來(lái)越靠近黑洞并由其引力彎曲所決定的環(huán)狀的（亞）毫米波輻射結(jié)構(gòu)（即“黑洞陰影”）。

在VLBI觀測(cè)中，為分析并解釋所觀測(cè)到的“可見(jiàn)度（visibility）”數(shù)據(jù)，經(jīng)常用到兩種方法：

對(duì)可見(jiàn)度數(shù)據(jù)直接進(jìn)行模型擬合，通常采用一些幾何模型，比如二維的圓或橢圓高斯形狀、環(huán)狀、盤狀或新月?tīng)钅Ｐ偷?。這里模型的復(fù)雜程度由數(shù)據(jù)的特征來(lái)決定。

對(duì)可見(jiàn)度數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，再對(duì)圖像進(jìn)行模型化分析，得出相關(guān)的模型參數(shù)，從而對(duì)所觀測(cè)的輻射結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化描述。

兩種方法各有優(yōu)劣，模型擬合比較直接，尤其在望遠(yuǎn)鏡數(shù)目不多、基線覆蓋不足以成像的情況下就能得出一些比較可靠的結(jié)論，典型的案例是Whitney等（1971）在只有兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡（一條望遠(yuǎn)鏡基線）的觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，就采用了模型擬合的方法發(fā)現(xiàn)了3C 279中的視超光速現(xiàn)象。這也是很多早期觀測(cè)采用此方法的原因。但這往往會(huì)由于模型比較簡(jiǎn)單而損失了細(xì)節(jié)。相反，成像的結(jié)果會(huì)比較直觀，但成像過(guò)程又會(huì)帶來(lái)一些額外的不確定性。在很多工作中，這兩種方法會(huì)同時(shí)使用，以便獲得最可靠的結(jié)果，這些過(guò)程往往又與數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)結(jié)合在一起。 

隨著VLBI技術(shù)及觀測(cè)設(shè)備的發(fā)展，人們對(duì)Sgr A*開(kāi)展了一系列的高辨率觀測(cè)，尤其是近二十多年來(lái)在毫米波段開(kāi)展的觀測(cè)。

在7毫米波段，首次的成像結(jié)果由 Krichbaum 等于1993年獲得（Krichbaum等 1993），但由于參與觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡數(shù)目較少，這些結(jié)果仍存在較大不確定性。盡管后續(xù)有不少在該波段的觀測(cè)，但由于數(shù)據(jù)校準(zhǔn)中存在較大不確定性，人們一直未能準(zhǔn)確地確定并扣除散射效應(yīng)的影響，進(jìn)而無(wú)法獲知Sgr A*的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)。其中一個(gè)主要原因是，參加觀測(cè)的絕大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡不是專門為毫米波觀測(cè)而建造，且多位于北半球，在觀測(cè)位于南天的Sgr A*時(shí)受到嚴(yán)重的大氣影響。2004年，Bower等通過(guò)利用閉合幅度的方法消除數(shù)據(jù)校準(zhǔn)中的不確定性，在確定并扣除散射效應(yīng)之后測(cè)量了Sgr A*的內(nèi)稟大小（Bower等 2004）。

在3毫米波段，Rogers等于1994年首次探測(cè)到Sgr A*。中科院上海天文臺(tái)研究員沈志強(qiáng)牽頭的國(guó)際團(tuán)隊(duì)于2002年利用美國(guó)的甚長(zhǎng)基線干涉陣列VLBA對(duì) Sgr A*開(kāi)展了首次的高分辨率成像觀測(cè)（如圖2所示），并測(cè)量到Sgr A*在3毫米的內(nèi)稟大小，發(fā)現(xiàn)了支持銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的令人信服的證據(jù)（沈志強(qiáng)等 2005）。

圖二：Sgr A*在3毫米的CLEAN圖像,左右兩圖分別對(duì)應(yīng)使用橢圓和圓狀潔束重建的圖像（圖片來(lái)源：沈等人 2005）

隨著位于南半球的毫米波望遠(yuǎn)鏡的加入（例如，大型毫米波望遠(yuǎn)鏡LMT，阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列ALMA），近年來(lái)的觀測(cè)已能夠更好地限制Sgr A*的二維內(nèi)稟結(jié)構(gòu)及星際散射的性質(zhì)（如Issaoun等人 2019, 2021）。

在1毫米波段，由于毫米波望遠(yuǎn)鏡數(shù)目的限制一直未能實(shí)現(xiàn)真正的VLBI成像。1998年，Krichbaum等（1998）首次在位于法國(guó)和西班牙的兩個(gè)IRAM的望遠(yuǎn)鏡間實(shí)現(xiàn)了針對(duì)SgrA*的1毫米條紋探測(cè)，并獲得了其在1毫米的角大小。Doeleman等（2008）利用一個(gè)三臺(tái)站的陣列開(kāi)展了1毫米觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)Sgr A*存在事件視界尺度上的致密結(jié)構(gòu)。通過(guò)擬合一個(gè)圓高斯?fàn)畹膸缀文Ｐ停l(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的大小為37微角秒。由于數(shù)據(jù)的限制，這些觀測(cè)尚不能用來(lái)確定比一個(gè)圓高斯更復(fù)雜的模型。Fish等（2011）利用后來(lái)類似的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)盡管Sgr A*的流量密度在幾天內(nèi)發(fā)生了明顯改變，但其大小隨時(shí)間的變化卻并不明顯。Johnson 等（2015）發(fā)現(xiàn)Sgr A*的致密結(jié)構(gòu)具有明顯的線偏振特征，意味著銀河系中心黑洞的周圍存在有序的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)VLBI數(shù)據(jù)中閉合相位信息的分析，F(xiàn)ish 等（2016）發(fā)現(xiàn)Sgr A*在1毫米的輻射結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性。位于智利的阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡（APEX）加入到1毫米VLBI陣列后，路如森等（2018）于2018年發(fā)現(xiàn)Sgr A*的觀測(cè)數(shù)據(jù)已不能再用單一的高斯模型來(lái)解釋。通過(guò)考慮較此稍復(fù)雜的模型，發(fā)現(xiàn)在總體為50微角秒的結(jié)構(gòu)內(nèi)存在更為致密的亞結(jié)構(gòu)。尤其是與觀測(cè)數(shù)據(jù)最符合的新月?tīng)钅Ｐ停▓D3），其直徑為52微角秒，與廣義相對(duì)論預(yù)言的黑洞陰影的結(jié)果出奇地一致。這也是此次銀河系中心黑洞成像之前1毫米VLBI觀測(cè)的最新結(jié)果。

圖三：Sgr A*的致密結(jié)構(gòu)的模型示意圖（圖片來(lái)源：路如森等 2018 [注：由于合作者作梗為首次黑洞成像結(jié)果預(yù)留空間，原論文中無(wú)法發(fā)表模型擬合的最優(yōu)圖像，只能使用灰色示意圖。]）。

它的第一張照片，為什么“拍”了五年？

由于EHT合作早在2019年就公布了首次M87黑洞成像的結(jié)果（路如森&左文文 2019），此次對(duì)銀河系中心黑洞的首次成像可以說(shuō)是人們期待已久的。然而人們不禁會(huì)問(wèn)，既然EHT在2017年4月幾乎同時(shí)觀測(cè)了M87* 和Sgr A*, 后者的“照片”為什么如此耗時(shí)呢？

因?yàn)?ldquo;沖洗”這張照片的技術(shù)難度更大。

一方面，除了前面提到的星際散射中的衍射效應(yīng)造成的角致寬之外，還存在折射散射的效應(yīng)，其結(jié)果是引入所謂的“折射噪聲”會(huì)疊加在Sgr A*本身所對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)度幅度信息上。

另一方面，更加重要的原因是，Sgr A*靠近黑洞處的射電輻射的圖案和亮度會(huì)表現(xiàn)出快速變化（典型的變化時(shí)標(biāo)為幾分鐘），遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于通常VLBI成像所需要的觀測(cè)時(shí)間（幾個(gè)小時(shí)）。因此對(duì)這樣的變?cè)催M(jìn)行VLBI圖像重建違反了地球自轉(zhuǎn)孔徑綜合成像的基本假設(shè)（路如森等 2016）。

加之目前的望遠(yuǎn)鏡基線覆蓋仍然比較稀疏，這些因素一起使得重建Sgr A*在事件視界尺度上的圖像面臨巨大挑戰(zhàn)，EHT合作團(tuán)隊(duì)不得不開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的工具來(lái)消除散射以及這種結(jié)構(gòu)變化對(duì)成像所帶來(lái)的影響。由于VLBI重建的圖像通常不具有唯一性，EHT合作團(tuán)隊(duì)利用與觀測(cè)數(shù)據(jù)的特征相一致的仿真數(shù)據(jù)來(lái)“訓(xùn)練”各種成像方法，從而選取成像所需的最優(yōu)參數(shù)集。利用這些最優(yōu)參數(shù)集，我們發(fā)現(xiàn)所得到成像中的絕大多數(shù)顯示了環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其直徑、寬度和中心黑暗程度在不同的成像方法和參數(shù)選擇中是一致的。然而，重建的圖像在其具體形態(tài)上顯示出了多樣性，特別是沿著環(huán)的方位角的強(qiáng)度分布。這種多樣性是由于EHT目前仍然有限的望遠(yuǎn)鏡基線覆蓋再加上Sgr A*的結(jié)構(gòu)變化所造成的。

然而，重建的圖像在其具體形態(tài)上顯示出了多樣性，特別是沿著環(huán)的方位角的強(qiáng)度分布。這種多樣性是由于EHT目前仍然有限的望遠(yuǎn)鏡基線覆蓋再加上Sgr A*的結(jié)構(gòu)變化所造成的。

所有重建的圖像可根據(jù)其形態(tài)分為四個(gè)子集，其中三個(gè)子集中的圖像呈現(xiàn)出環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，只是環(huán)的亮度沿方位角的分布不同，而第四個(gè)子集中包含了相對(duì)數(shù)目較小的圖像，盡管它們也能與數(shù)據(jù)吻合，但看起來(lái)不像環(huán)形。

最終，通過(guò)將數(shù)千張使用不同成像方法得到的圖像平均起來(lái)生成了一幅Sgr A*的代表性圖像（如圖4所示）。

圖四：上方為EHT從2017年4月7日的觀測(cè)中獲得的Sgr A*的代表性圖像。下方四個(gè)圖從左到右展示了三個(gè)呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圖像子集的平均圖像和一個(gè)非環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圖像子集的平均圖像。圖中的柱狀圖顯示了屬于每個(gè)子集的圖像的相對(duì)數(shù)量，其高度代表了每個(gè)子集對(duì)最終照片的相對(duì)貢獻(xiàn)。（圖片來(lái)源：EHT合作組織）

基于對(duì)望遠(yuǎn)鏡基線覆蓋的情況、時(shí)變特征、以及星際散射性質(zhì)的理解，并結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，我們可以說(shuō)EHT觀測(cè)數(shù)據(jù)有力地證明了Sgr A*的圖像確實(shí)由一個(gè)直徑為50微角秒的環(huán)狀結(jié)構(gòu)主導(dǎo)，這與質(zhì)量為4百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量，距離地球?yàn)?kpc的黑洞所預(yù)期的“陰影”的大小非常一致。

此次成像結(jié)果為銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的存在提供了直接證據(jù)，并首次將10^3-10^5個(gè)引力半徑尺度上的恒星軌道動(dòng)力學(xué)測(cè)量的預(yù)言與事件視界尺度上的圖像和時(shí)變聯(lián)系起來(lái)。更進(jìn)一步地，與超大質(zhì)量黑洞M87的EHT成像結(jié)果比較，表明了廣義相對(duì)論的預(yù)言在跨越三個(gè)質(zhì)量量級(jí)系統(tǒng)中的一致性，充分證明了“天下黑洞一般黑”！

“黑洞照相館”的下一步是“黑洞小視頻”

作為離人類最近的超大質(zhì)量黑洞，Sgr A*為我們提供了一個(gè)檢驗(yàn)廣義相對(duì)論和探索黑洞天體物理的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)室。隨著此次首張銀河系中心黑洞照片的發(fā)布，后續(xù)的工作將通過(guò)偏振觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)研究該黑洞周圍的磁場(chǎng)，并近一步研究與觀測(cè)到的X-射線耀斑活動(dòng)有關(guān)的結(jié)構(gòu)變化。

2017年之后，隨著新望遠(yuǎn)鏡的加入以及數(shù)據(jù)記錄帶寬的不斷增加，EHT陣列的靈敏度也在不斷得到提升，對(duì)Sgr A*這一變?cè)吹某上衲芰υ诓粩嘣鰪?qiáng)。

未來(lái)隨著更多亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的加入，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)其24小時(shí)不間斷的接力成像觀測(cè)，我們將最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該黑洞周圍物理環(huán)境的動(dòng)態(tài)攝像。在這一方面，若建設(shè)位于中國(guó)的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡并參加相關(guān)觀測(cè)，將會(huì)起到很關(guān)鍵的作用。

來(lái)源：每日經(jīng)濟(jì)新聞綜合“中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)”微信號(hào)、央視新聞、科普中國(guó)