為啥黑洞距離近了，拍照反而難了？

銀河系中心黑洞距離地球有2.7萬光年之遙，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，就必須要保證望遠鏡足夠靈敏，能分辨的細節足夠小，從而才能確保“看得到”“看得清”。

路如森

中國科學院上海天文臺研究員

繼2019年人類首張黑洞照片發布后，又一黑洞的“真容”被拍攝到！北京時間5月12日，中國科學院上海天文臺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個城市（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國臺北、日本東京、美國華盛頓）也都與上海同步公布了這張令天文學家興奮的照片。

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

“組合”全球射電望遠鏡為黑洞拍照

因為黑洞不發光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉黑洞的發光氣體給出了其存在的信號。

廣義相對論預言，黑洞存在，周圍時空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉化為光和熱，因此氣體被加熱至數十億攝氏度。黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內，看起來就像一片陰影，陰影周圍環繞著一個由吸積或噴流輻射造成的、如新月狀的光環。

“完成對黑洞的成像，將為證明黑洞的存在提供直接的視覺證據。”中國科學院上海天文臺研究員路如森表示，銀河系中心黑洞距離地球有2.7萬光年之遙，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，就必須要保證望遠鏡足夠靈敏，能分辨的細節足夠小，從而才能確保“看得到”“看得清”。

想要達到上述要求，望遠鏡的口徑就需要達到地球直徑的長度。然而，目前地球上已有的單個望遠鏡最大口徑也只有500米。沒有地球那么大的望遠鏡，如何才能給黑洞拍張合格的照片？天文學家想到了一個好辦法——強強聯合。EHT合作組織將分布在全球6個地理位置的8個射電望遠鏡“組合”起來，形成一個猶如地球那么大的“虛擬”望遠鏡，它的靈敏度和分辨力都是前所未有的。

2017年，這8個北至西班牙，南至南極的望遠鏡向選定的目標撒出一張“大網”，“撈”回海量數據，為我們勾勒出黑洞的模樣。但留給科學家的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時間。

除了觀測時間上的限制，拍攝黑洞對天氣條件的要求也極為苛刻。“因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大，水會影響射電波的強度，這就意味著降水會干擾觀測。”中國科學院上海天文臺臺長、研究員沈志強說。

因此這8個望遠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。

此外，要成功成像還必須要求所有望遠鏡在時間上完全同步。觀測期間，每一個射電望遠鏡都收集并記錄來自目標黑洞附近的射電波信號，這些數據被集成用于獲得事件視界的圖像。沈志強說：“為了確保信號的穩定性，EHT利用原子鐘來確保其收集并記錄的信號在時間上的同步。”

為銀心黑洞提供首個直接視覺證據

科學家之前已觀測到眾多恒星圍繞著銀河系中心一個不可見的、致密的、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＊的天體是一個黑洞，而這次發布的照片則提供了首個直接的視覺觀測證據。

2019年，人類發布的第一張黑洞照片，捕獲的是更遙遠星系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，但兩個黑洞看起來格外相似。

“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，但當我們聚焦在這兩個黑洞的邊緣時，它們看起來又神奇地相似。”來自荷蘭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薩拉·馬爾科夫教授說：“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。”

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。來自美國斯圖爾德天文臺、亞利桑那大學天文系和數據科學所的科學家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。氣體繞轉M87＊一周需要幾天到數周的時間，但對于小很多的人馬座A＊來說，幾分鐘內氣體即可繞轉一周。這意味著在EHT觀測人馬座A＊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著。給人馬座A＊拍照有點像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。”

這項成果的實現，集結了來自全球80個研究機構共300多名研究人員的奇思妙想。除了開發復雜的工具來克服人馬座A＊成像面臨的挑戰外，EHT合作組織還花了5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。

未來EHT將拍一部黑洞“電影”

“現在我們能就這兩個超大質量黑洞的差異展開研究。”來自天文與天體物理研究所的科學家Keiichi Asada表示，“利用已有的兩個質量相差1500倍以上的黑洞的照片，我們將可以進一步檢驗極端環境下的引力。”

人馬座A＊的照片是由2017年EHT觀測數據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研究的腳步。而且，EHT的臺站數量還在不斷增加，在2018年新增加了包括格陵蘭望遠鏡在內的3個新的臺站，觀測陣覆蓋范圍進一步擴大。

在未來的計劃里，更多的望遠鏡將被用來擴展EHT觀測陣，譬如已經建成的歐文斯山谷射電天文臺和即將建造的非洲毫米波望遠鏡。除了望遠鏡數量的增加，從2023年開始，EHT將進行0.87毫米波段的觀測，相比于相同情況下的1.3毫米波段的觀測，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觀測目標，天文學家正在探究它們是如何隨時間變化的，并對其周圍磁場展開研究。

EHT數量的持續擴展和技術革新將使得科學家可以分享更多引人注目的天文照片，甚至是黑洞“電影”。“運用下一代EHT拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是天文學家的追求。”沈志強說，“我們正在規劃建設中國的亞毫米波VLBI望遠鏡，以期參與到對人馬座A＊的24小時不間斷的接力觀測中。”

我國科學家長期關注高分辨率黑洞成像研究。此次的EHT合作中，我國科學家積極參與了早期EHT國際合作的共同推動、EHT觀測時間的共同申請、夏威夷麥克斯韋望遠鏡的觀測運行，以及后期數據處理分析等。

沈志強說：“我們還將把望遠鏡對準其他目標源，制作更多‘甜甜圈’。因為其他‘甜甜圈’更迷你，所以需要更高的角分辨率，建設空間望遠鏡或可以實現這一目標。”