銀河系中心黑洞照片的背后：中國正規(guī)劃建設(shè)亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡

銀河系中心黑洞的首張照片

“上次探測的是M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞，本次觀測的是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞。這兩個目標(biāo)也是離人類比較近的兩個超大質(zhì)量黑洞。”中科院國家天文臺研究員陳學(xué)雷表示。

中科院上海天文臺舉辦“來自事件視界望遠(yuǎn)鏡的關(guān)于銀河系中心的突破性成果”發(fā)布會，發(fā)布了來自于事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）的關(guān)于銀河系中心的一項突破性成果。

相關(guān)專家展示了位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的首張照片。據(jù)悉，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織，依靠坐落在全球多地的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”了這張照片。

事件視界望遠(yuǎn)鏡EHT由8個射電望遠(yuǎn)鏡組成，它們共同形成了一個堪比地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡

它不僅僅是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的首張照片，也是這一黑洞確實(shí)存在的第一個直接視覺證據(jù)。更確切地說，這張照片是被捕獲的，捕獲工具便是坐落在地球上的虛擬望遠(yuǎn)鏡EHT，該望遠(yuǎn)鏡由8個射電望遠(yuǎn)鏡組成，并形成了一個堪比地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，它們分別是來自南極、智利、墨西哥、美國亞利桑那州、美國夏威夷（中國參與運(yùn)行）、西班牙的望遠(yuǎn)鏡。觀測期間，EHT在多個晚上，對人馬座A*展開觀測，每次采集都要持續(xù)好幾個小時，這和同一個相機(jī)的長時間曝光的原理類似。

據(jù)悉，我們生活的地球距離銀河系中心黑洞，有2.7萬千光年之遠(yuǎn)。對于探測到該黑洞的難度，上海天文臺的專家作比喻稱，這好比在地球上用望遠(yuǎn)鏡去查看月球上一張報紙上的一個標(biāo)點(diǎn)那么難。

而此次公布的照片，實(shí)際拍攝于2017。在本次觀測中，EHT不僅拍攝了今天所公布的銀河系中心的黑洞圖像，也對2019年公開的M87黑洞做了拍攝。由于M87距離人類更遠(yuǎn)，因此研究人員先對它做數(shù)據(jù)處理。2019年，在M87公布以后至今，科學(xué)家又耗時3年，對銀河系中心黑洞Sgr A*進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

談及相關(guān)技術(shù)，陳學(xué)雷表示，“由于天線數(shù)量不足，還原干涉數(shù)據(jù)的結(jié)果不唯一，再加上銀河系中心黑洞的圖像有隨時間的快速變化，不能像M87那樣把不同時刻的觀測很簡單地合在一起用，這次他們使用了一種把不同成像結(jié)果平均的方法。顯然，這也是解決這些成像困難的一種新方法。”

作為銀河系中心的大質(zhì)量天體的“真相照”，天文學(xué)家們對其期待已久。在此之前，在大量恒星圍繞著的銀河系中心，天文學(xué)家就曾發(fā)現(xiàn)那里存在一種天體作軌道運(yùn)動，該運(yùn)動具備非可視性、致密性、質(zhì)量極大等特點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)帶來的暗示是：名為人馬座A*（Sagittarius A*：Sgr A*）的天體，應(yīng)該是一個黑洞。此前曾發(fā)現(xiàn)“銀河系中心黑洞的”科學(xué)家，也憑借相關(guān)工作獲得了諾貝爾物理獎。

據(jù)悉，在本次發(fā)現(xiàn)中，科學(xué)家研究了極大的成像參數(shù)空間，最終終于得以確定此次黑洞的照片。對于確定照片的難度，陳學(xué)雷表示：“他們使用的是干涉成像方法，這種方法的特點(diǎn)是，并不直接成像，而是天線之間做干涉。我們可以把一個圖像分解成很多不同方向和尺度的組分，每一對天線之間干涉結(jié)果，可以給出一個方向和尺度的組分，但是由于天線數(shù)量很少，所以實(shí)際上只測量了少數(shù)組分，大部分組分沒有，所以無法唯一的還原圖像，只能‘猜測’，因此會有很多參數(shù)?！?/p>

拍攝目的：破解致密射電源的“廬山真面目”

為什么要進(jìn)行這樣一次拍攝和觀測呢？上海天文臺的研究人員表示，我們目前關(guān)于銀河系的印象，大多是一條光帶。由于人類居住在銀河系內(nèi)部，因此看到的銀河系如同一條光帶。但是，如果從銀河系外部來觀測，所看到的銀河系很不一樣。

從基于貝賽爾計劃繪制的銀河系結(jié)構(gòu)圖可以看到，中間是銀河系中心的位置，而紅色的標(biāo)注的是太陽的位置，如果人類有幸可以開展星際旅行，當(dāng)從地球直奔銀河系時，就會看到豐富的景象，尤其是靠近銀河系中心時，會發(fā)現(xiàn)其中有一個十分致密而明亮的射電源，而這個射電源就是發(fā)布會的主角。

從之前人類對于銀河系的觀察，我們已經(jīng)知道銀河系中心是一個充滿了物理環(huán)境的區(qū)域。而且許多天文照片中，都可以看到這個致密的射電源。但是，我們始終看不到致密射電源的細(xì)節(jié)。

要想破解致密射電源的廬山真面目，就需要更高分辨率的觀測。而針對該致密射電源也就是Sgr A*的觀測，從50年前人類就開始了各種努力。在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類星體，也就是在極遙遠(yuǎn)距離之外觀測到的高亮度天體。1971年，英國天文學(xué)家唐納德·林登貝爾提出，一般在星系中都藏有一個黑洞，銀河系也不例外。因此，他提議用高分辨率甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI），去在銀河系中心尋找和黑洞相近的致密射電源。

銀河系全景圖。從地球上看到的銀河系（左）和銀河系外看到的銀河系（右）很不相同。右側(cè)為貝塞爾計劃繪制的銀河系結(jié)構(gòu)圖

果不其然，1974年，美國天文學(xué)家H·W·巴布科克和合作者就用干涉儀在銀河系中心探索到了這樣的致密射電源，并將其起名為Sgr A*。而在1976年，美國天文學(xué)家雷蒙德·戴維斯等人提出，在地球觀測到的銀河心中心發(fā)來的信號，可能受到了星際散射的影響。

為了克服星際散射的影響并提高分辨率、揭開致密射電源的真面目，此后各地科學(xué)家使用更短波長進(jìn)行觀測。尤其是1998年，德國物理學(xué)家托馬斯·克里鮑姆等人在λ（波長單位）為1.3毫米時探測到了Sgr A*。

而之前的這些工作，盡管尚未讓人們觀測到其真面目，但也讓人們對Sgr A*有了基本了解，并奠定了這次EHT發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

拍攝到這次銀河系黑洞的主角，是事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT），這是由國際上的一群至少可以達(dá)到230GHz頻率的亞毫米波射點(diǎn)望遠(yuǎn)鏡組成的VLBI陣列。

在拍攝結(jié)束之后，科學(xué)家們?yōu)镾gr A*黑洞進(jìn)行數(shù)據(jù)處理花費(fèi)了3年的時間。為什么需要如此長的時間，中科院上海天文臺副研究員，EHT成像工作參與負(fù)責(zé)人江悟解釋說，我們和銀河系中心之間有大量的氣體和塵埃，這些對來自銀河系中心的電子波的輻射會產(chǎn)生散射效應(yīng)。簡單來說，散射會導(dǎo)致拍攝圖像的模糊和放大的效果。而且波長越長，散射效果越明顯。這也是為什么要采用更短毫米波來進(jìn)行黑洞成像的原因之一。

此外，對于銀河系中心來說，成像的最大的挑戰(zhàn)就是快速運(yùn)動物體的快速識辨。這在2017年的拍攝過程中，在短短10個小時以內(nèi)，銀河系中心的亮度有了快速明顯而又大幅的變化過程。

因?yàn)楹诙床话l(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）光都是由銀河系中心黑洞的強(qiáng)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。

正規(guī)劃中國亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)

Sgr A*的環(huán)狀結(jié)構(gòu)角直徑以及黑洞質(zhì)量

2019年和2022年，先后公布的這兩個大小不同的黑洞照片讓科學(xué)家非常興奮，這讓他們能有更好的條件去做對照研究。目前，科學(xué)家正在使用新數(shù)據(jù)，去對超大質(zhì)量黑洞周圍氣體行為的理論和模型進(jìn)行檢驗(yàn)。盡管人們對于這一行為的過程尚不清楚，但普遍認(rèn)為它對星系的形成和演化有著關(guān)鍵作用。

概括來說，Sgr A*是距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞，可給科學(xué)家提供一個獨(dú)特的“實(shí)驗(yàn)室”，在這個實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們可以去檢驗(yàn)廣義相對論，也可以去探索黑洞天體物理。

在本次第一張銀河系中心黑洞照片發(fā)布之后，科學(xué)家們將通過偏振觀測數(shù)據(jù)，去對黑洞周圍的磁場進(jìn)行研究，X-射線耀斑活動的結(jié)構(gòu)變化也將是他們的研究對象。

事實(shí)上，在2017年之后，新的望遠(yuǎn)鏡逐漸加入，數(shù)據(jù)記錄帶寬也在逐步增加，這讓EHT陣列的靈敏度得以提升，這讓人們對Sgr A*這一變源的成像能力也得到逐步增強(qiáng)。將來，會有更多亞毫米波望遠(yuǎn)鏡加入成像觀測，屆時或可實(shí)現(xiàn)對于Sgr A*的全天候接力成像觀測。到那時，對于黑洞周圍物理環(huán)境的動態(tài)攝像就將“照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”。參與這一研究的上海天文臺專家認(rèn)為，假如在中國建設(shè)亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡，并對相關(guān)觀測進(jìn)行參與，那么其將扮演重要角色。

一直以來，EHT都走在觀測的路上。2021年3月，它剛和其他望遠(yuǎn)鏡，完成了一次聯(lián)合觀測。而未來，它的目標(biāo)不再是拍照片，而是拍電影。給銀河系中心黑洞拍一部“電影”，也是下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡的追求。

對于這里的“電影”，陳學(xué)雷表示：“就是得到不同時刻的動態(tài)圖像，當(dāng)然這樣的圖像給我們的信息多得多，就像小視頻比靜態(tài)照片多得多一樣?！?/p>

目前，國內(nèi)相關(guān)專家正規(guī)劃中國亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，如果建設(shè)成功，屆時將參與Sgr A*的24小時不間斷接力觀測。

對此，陳學(xué)雷表示：“這里有兩個重要的條件，一個是需要有良好的臺址，一個是需要發(fā)展相關(guān)的技術(shù)。臺址方面，亞毫米波容易受到大氣特別是其中水蒸汽的影響，因此需要找到高原、干燥的地方，可以在我國的青藏高原開展選址。技術(shù)方面，我國有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，當(dāng)然也還要進(jìn)一步開展研究。”