首秀！“家門口”的黑洞有照片了

文 ｜《中國科學報》記者 張雙虎 

         黃辛

5月12日，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織全球同時召開新聞發(fā)布會，向人們展示了位于銀河系中心（Sgr A*）的首張黑洞照片。

“這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于遙遠星系M87*中央黑洞之后的又一重大突破?！卑l(fā)布會上，中科院上海天文臺臺長、EHT合作國內(nèi)協(xié)調(diào)人沈志強介紹說，“這為理解這種被認為居于大多數(shù)星系中心‘巨獸’的行為提供了寶貴線索?！?/span>

 銀河系中心黑洞的首張照片  EHT合作組織提供

艱難的“捕獸”

上世紀60年代末，英國物理學家林登貝爾（Lynden-Bell）提出，許多星系在其中心都有一個質(zhì)量高達百萬倍到幾十億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。他斷言這樣一個超大質(zhì)量的黑洞是過去活躍的“類星體階段”的殘余物。同樣，銀河系也不應(yīng)例外。

兩年后， 林登貝爾論證了銀河系中心存在一個超大質(zhì)量的黑洞，這讓人們進一步理解了類星體的本質(zhì)，不過探測與銀河系中心黑洞相聯(lián)系的致密射電源卻經(jīng)歷了一個艱難的過程。

因為黑洞不發(fā)光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號：一個被亮環(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大引力彎曲所致，這個黑洞的質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的400萬倍。

銀河系中心黑洞距離地球有27000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(chuàng)建了觀測利器EHT，由分布在全球六地的八個射電望遠鏡組成的一個猶如地球那么大的虛擬望遠鏡。如果考慮前期的籌備和測試階段，有些 EHT 團隊成員已經(jīng)投入了差不多 20 年的時間。

提供直接視覺證據(jù)

銀河系中心黑洞比M87*小了1500多倍，研究人員不得不開發(fā)新的復雜的工具來考慮圍繞Sgr A*的氣體運動。因為M87*這種穩(wěn)定和幾乎所有圖案都相同的目標成像相對容易，對于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后的效果，最終得以第一次將隱藏在銀河系中心的“巨獸”呈現(xiàn)出來。

這集結(jié)了來自全球80個研究機構(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現(xiàn)。除了開發(fā)復雜的工具來克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團隊花了5年時間，用超級計算機合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測結(jié)果進行嚴格比對。

來自上海天文臺的EHT合作成員路如森說：“確實，對銀河系中心黑洞首次成像觀測的數(shù)據(jù)分析耗費了EHT合作團隊的巨大心血?！?/span>

另一位來自上海天文臺的EHT合作成員江悟補充道：“研究團隊遍歷了極大的成像參數(shù)空間，才得以確定這張黑洞照片?！?/span>

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(jīng)開始用這些新的數(shù)據(jù)來檢驗超大質(zhì)量黑洞周圍氣體行為的相關(guān)理論和模型。

“現(xiàn)在我們能就這兩個超大質(zhì)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(zhì)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(huán)境下的引力”。

拍攝黑洞“電影”中國發(fā)揮更大作用

EHT合作組共有350名成員，其中270名成員參與了Sgr A*成果的發(fā)表。參與者分別來自21個國家和地區(qū)的120個研究機構(gòu)，其中包括來自中科院上海天文臺、李政道研究所、北京大學、中國科學技術(shù)大學等7家單位的17位中國學者。

“我國科學家積極參與早期EHT國際合作的共同推動、EHT望遠鏡觀測時間的共同申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測運行、后期數(shù)據(jù)處理分析和結(jié)果分析等?！鄙蛑緩娬f，“此外，2017年EHT全球聯(lián)合多波段觀測期間，上海65米天馬望遠鏡作為東亞VLBI網(wǎng)的主力臺站參加了17次對M87*和Sgr A*VLBI協(xié)同觀測，顯著提高了東亞VLBI網(wǎng)的觀測靈敏度，在微弱信號探測方面發(fā)揮作用。”

今年3月，EHT剛完成一項有更多望遠鏡參與的聯(lián)合觀測。EHT還計劃在不久的將來拍攝黑洞“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?！鄙蛑緩娬f，“我們正在規(guī)劃建設(shè)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。”