天文學家公佈我們銀河系中心黑洞的首張照片

5月12日，“中國科學院上海天文台”公眾號消息，在包括上海在內的全球各地同時召開的新聞發佈會上，天文學家向人們展示了位於我們銀河系中心的超大質量黑洞的首張照片。這一成果給出了該天體就是黑洞的實證，為理解這種被認為居於大多數星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線索。該照片由事件視界望遠鏡（EHT）合作組織這個國際研究團隊，通過分佈在全球的射電望遠鏡組網“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。該照片由分佈在地球上的八個射電望遠鏡組成的、一個等效於地球般大小的虛擬望遠鏡（即，EHT）所捕獲。望遠鏡以事件視界（即，光線也無法逃脱的黑洞邊界）命名。

因為黑洞不發光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉的發光氣體給出了其存在的信號：一個被亮環狀結構圍繞的闇弱中心區域（稱之為陰影）。照片上顯現出的（射電）光都是由該黑洞的強大引力彎曲所致，這個黑洞的質量超過了太陽質量的四百萬倍。

這張照片是EHT團隊將從Sgr A*的2017年觀測數據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於我們銀河系中心的大質量天體的真面目肖像。科學家之前已觀測到眾多的恆星圍繞着銀河系中心一個不可見的、緻密的和質量極大的天體作軌道運動。這已強烈暗示這個被稱作人馬座A*（Sagittarius A*：Sgr A*）的天體是一個黑洞，而今天發佈的照片則提供了首個直接的視覺證據。

因為黑洞不發光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉的發光氣體給出了其存在的信號：一個被亮環狀結構圍繞的闇弱中心區域（稱之為陰影）。照片上顯現出的（射電）光都是由該黑洞的強大引力彎曲所致，這個黑洞的質量超過了太陽質量的四百萬倍。

“我們驚歎於環的大小與愛因斯坦廣義相對論預測結果出奇一致，”來自天文與天體物理研究所的EHT項目科學家Geoffrey Bower説，“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生一切的認識，併為瞭解超大質量黑洞如何與周圍環境相互作用提供了全新視角”。EHT團隊的研究成果今天以特刊的形式發表在《天體物理學雜誌通信》。[詳見後附鏈接]

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38萬千米遠月亮上的甜甜圈大小差不多。為了給它拍這張照片，研究團隊創建了觀測利器EHT，由分佈在全球六地的八個射電望遠鏡組成的一個猶如地球那麼大的虛擬望遠鏡[1]。EHT對Sgr A*開展了多個晚上的觀測，每次連續採集了好幾個小時的數據，就如同相機的長時間曝光。

這是EHT合作組織繼2019年發佈人類第一張黑洞照片，捕獲了位於更遙遠星系M87中央黑洞（M87*）之後的又一重大突破。

儘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量，但當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的理論天體物理學家、EHT科學委員會聯合主席Sera Markoff教授説，“這告訴我們靠近黑洞的物體完全受廣義相對論支配，我們在遠處所看到的不同表象是由黑洞周圍物質的差異造成的”。

儘管Sgr A*離我們更近，這項成果的得來卻比M87*艱難得多。來自斯圖爾德天文台、亞利桑那大學天文系和數據科學所的EHT科學家Chi-kwan Chan解釋道：“黑洞周圍的氣體均以幾乎接近光速繞着Sgr A*和M87*高速旋轉。氣體繞轉M87*一週需要幾天到數週時間，但對於相對小很多的Sgr A*來説，幾分鐘內氣體即可繞轉一週。這意味着就在EHT觀測Sgr A*之時，該超大質量黑洞周圍繞轉氣體的亮度和圖案也在時刻快速變化着。有點像給一隻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新的複雜的工具來考慮圍繞Sgr A*的氣體運動。為M87*這種穩定和幾乎所有圖案都相同的目標成像相對容易，對於Sgr A*就完全不一樣了。Sgr A*的黑洞照片是研究團隊提取出的不同照片平均後的效果，最終得以第一次將隱藏在我們銀河系中心的“巨獸”呈現出來。

這集結了來自全球80個研究機構共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。除了開發複雜的工具來克服Sgr A*成像面臨的挑戰外，研究團隊花了五年時間，用超級計算機合成和分析數據，編纂了前所未有的黑洞模擬數據庫與觀測結果進行嚴格比對。

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合作團隊將從Sgr A*的2017年EHT觀測數據中提取的諸多照片組合製作成一張銀河系中心超大質量黑洞Sgr A*的最終照片。

這張最終照片是通過將數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確擬合EHT數據。最終照片保留了在所有不同圖像中更常見的特徵，並抑制了不常見的特徵。

上述數千張不同圖像的集合可以根據它們相似的特徵分成四個子集。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狀結構，只是環狀周圍的亮度分佈不同。第四個子集包含的圖像儘管也能與數據吻合，但看上去不像個環。

柱狀圖顯示了屬於每個子集的圖像的相對數量。前三個子集中每個都有數千張照片，而第四個也是最小的子集中只有數百張照片。柱狀圖的高度代表每個子集對最終照片的相對“權重”或貢獻。

來自上海天文台的EHT合作成員路如森説：“確實，對銀河系中心黑洞首次成像觀測的數據分析耗費了EHT合作團隊的巨大心血。”另一位來自上海天文台的EHT合作成員江悟補充道：“研究團隊遍歷了極大的成像參數空間，才得以確定這張黑洞照片。”

科學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。他們已經開始用這些新的數據來檢驗超大質量黑洞周圍氣體行為的相關理論和模型。目前這個過程尚不完全清楚但被認為對星系的形成和演化起了關鍵作用。

“現在我們能就這兩個超大質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科學家Keiichi Asada表示。“我們已有了兩個質量相差1500倍以上的黑洞的照片，相比過去，我們將可以進一步更深入地檢驗極端環境下的引力”。

EHT並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鏡參與的聯合觀測。EHT的持續擴展和技術革新將使得科學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。”來自上海天文台的EHT合作國內協調人沈志強説。“我們正在規劃建設中國的亞毫米波VLBI望遠鏡，以期參與到對Sgr A*的24小時不間斷的接力觀測中。”

註釋：

[1] 參與2017年EHT觀測的8個望遠鏡是：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鏡）、IRAM 30米望遠鏡、JCMT（詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠鏡）、LMT（大型毫米波望遠鏡）、SMA（亞毫米波陣列）、SMT（亞毫米波望遠鏡）、SPT（南極望遠鏡）。這些年來，EHT又有新的望遠鏡加入，包括：GLT（格陵蘭望遠鏡）、NOEMA（北天延展毫米波陣列）和基特峯12米望遠鏡。

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