为啥黑洞距离近了，拍照反而难了

　　来源：科技日报

　　银河系中心黑洞距离地球有2.7万光年之遥，它的大小从地球上看去与从地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要给它成像，就必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而才能确保“看得到”“看得清”。

　　路如森

　　中国科学院上海天文台研究员

　　继2019年人类首张黑洞照片发布后，又一黑洞的“真容”被拍摄到！北京时间5月12日，中国科学院上海天文台公布了银河系中心黑洞人马座A*（Sgr A*）的首张照片。全球其他5个城市（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国台北、日本东京、美国华盛顿）也都与上海同步公布了这张令天文学家兴奋的照片。

　　这张黑洞照片是由事件视界望远镜（EHT）合作组织，通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成，它的发布给出了银河系中心人马座A*就是黑洞的实证，为理解这种被普遍认为居于大多数星系中心的“巨兽”提供了宝贵的线索。

　　“组合”全球射电望远镜为黑洞拍照

　　因为黑洞不发光，所以我们看不见黑洞自身，但绕转黑洞的发光气体给出了其存在的信号。

　　广义相对论预言，黑洞存在，周围时空弯曲，气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中，引力能转化为光和热，因此气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内，看起来就像一片阴影，阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的、如新月状的光环。

　　“完成对黑洞的成像，将为证明黑洞的存在提供直接的视觉证据。”中国科学院上海天文台研究员路如森表示，银河系中心黑洞距离地球有2.7万光年之遥，它的大小从地球上看去与从地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要给它成像，就必须要保证望远镜足够灵敏，能分辨的细节足够小，从而才能确保“看得到”“看得清”。

　　想要达到上述要求，望远镜的口径就需要达到地球直径的长度。然而，目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米。没有地球那么大的望远镜，如何才能给黑洞拍张合格的照片？天文学家想到了一个好办法——强强联合。EHT合作组织将分布在全球6个地理位置的8个射电望远镜“组合”起来，形成一个犹如地球那么大的“虚拟”望远镜，它的灵敏度和分辨力都是前所未有的。

　　2017年，这8个北至西班牙，南至南极的望远镜向选定的目标撒出一张“大网”，“捞”回海量数据，为我们勾勒出黑洞的模样。但留给科学家的观测窗口期非常短暂，每年只有大约10天时间。

　　除了观测时间上的限制，拍摄黑洞对天气条件的要求也极为苛刻。“因为大气中的水对这一观测波段的影响极大，水会影响射电波的强度，这就意味着降水会干扰观测。”中国科学院上海天文台台长、研究员沈志强说。

　　因此这8个望远镜所在之处均位于海拔较高、降雨量极少、晴天概率非常高的地区。

　　此外，要成功成像还必须要求所有望远镜在时间上完全同步。观测期间，每一个射电望远镜都收集并记录来自目标黑洞附近的射电波信号，这些数据被集成用于获得事件视界的图像。沈志强说：“为了确保信号的稳定性，EHT利用原子钟来确保其收集并记录的信号在时间上的同步。”

　　为银心黑洞提供首个直接视觉证据

　　科学家之前已观测到众多恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的、质量极大的天体作轨道运动。这已强烈暗示这个被称作人马座A*的天体是一个黑洞，而这次发布的照片则提供了首个直接的视觉观测证据。

　　2019年，人类发布的第一张黑洞照片，捕获的是更遥远星系M87的中心黑洞M87*。尽管M87*比银河系中心的黑洞人马座A*大了1500多倍，也重了1500多倍，但两个黑洞看起来格外相似。

　　“它们来自两种不同类型的星系，且具有极不相同的黑洞质量，但当我们聚焦在这两个黑洞的边缘时，它们看起来又神奇地相似。”来自荷兰阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席萨拉·马尔科夫教授说：“这告诉我们，靠近黑洞的物体完全受广义相对论支配，我们在远处所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的。”

　　尽管人马座A*离地球更近，但是为其拍摄照片却比M87*艰难得多。来自美国斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的科学家Chi-kwan Chan解释道：“周围气体均以几乎接近光速的速度绕着人马座A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需要几天到数周的时间，但对于小很多的人马座A*来说，几分钟内气体即可绕转一周。这意味着在EHT观测人马座A*时，该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着。给人马座A*拍照有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。”

　　这项成果的实现，集结了来自全球80个研究机构共300多名研究人员的奇思妙想。除了开发复杂的工具来克服人马座A*成像面临的挑战外，EHT合作组织还花了5年时间，用超级计算机合成和分析数据，编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。

　　未来EHT将拍一部黑洞“电影”

　　“现在我们能就这两个超大质量黑洞的差异展开研究。”来自天文与天体物理研究所的科学家Keiichi Asada表示，“利用已有的两个质量相差1500倍以上的黑洞的照片，我们将可以进一步检验极端环境下的引力。”

　　人马座A*的照片是由2017年EHT观测数据中提取的诸多照片组合制作而成的。在此后的2018年、2020年和2021年，EHT合作组织并未停止观测研究的脚步。而且，EHT的台站数量还在不断增加，在2018年新增加了包括格陵兰望远镜在内的3个新的台站，观测阵覆盖范围进一步扩大。

　　在未来的计划里，更多的望远镜将被用来扩展EHT观测阵，譬如已经建成的欧文斯山谷射电天文台和即将建造的非洲毫米波望远镜。除了望远镜数量的增加，从2023年开始，EHT将进行0.87毫米波段的观测，相比于相同情况下的1.3毫米波段的观测，分辨率提升了近50%。而人马座A*和M87*仍是EHT合作组织最重要的科学观测目标，天文学家正在探究它们是如何随时间变化的，并对其周围磁场展开研究。

　　EHT数量的持续扩展和技术革新将使得科学家可以分享更多引人注目的天文照片，甚至是黑洞“电影”。“运用下一代EHT拍摄这样一部银河系中心黑洞的‘电影’，是天文学家的追求。”沈志强说，“我们正在规划建设中国的亚毫米波VLBI望远镜，以期参与到对人马座A*的24小时不间断的接力观测中。”

　　我国科学家长期关注高分辨率黑洞成像研究。此次的EHT合作中，我国科学家积极参与了早期EHT国际合作的共同推动、EHT观测时间的共同申请、夏威夷麦克斯韦望远镜的观测运行，以及后期数据处理分析等。

　　沈志强说：“我们还将把望远镜对准其他目标源，制作更多‘甜甜圈’。因为其他‘甜甜圈’更迷你，所以需要更高的角分辨率，建设空间望远镜或可以实现这一目标。”