3年前，人類拍攝的首張黑洞照片亮相。

而今天，我們看到了第二張黑洞照片，這個黑洞，離我們更近。

北京時間2022年5月12日晚9點，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織正式發(fā)布了銀河系中心黑洞人馬座A*（Sgr A*）的首張照片（圖1）。這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于更遙遠星系M87中央黑洞之后的又一重大突破。

圖1：銀河系中心黑洞的首張照片（圖片來源：由EHT合作組織提供）

此前，諾貝爾物理學獎頒給了“銀河系中心黑洞的發(fā)現(xiàn)”。今天EHT發(fā)布的照片提供了該超大質(zhì)量黑洞存在的直接視覺證據(jù)。

幾十年前，銀河系中心黑洞被“發(fā)現(xiàn)”了

上世紀50年代后期，隨著全天射電源普查的開展，人們發(fā)現(xiàn)有一類強烈射電源的光學對應體看起來似乎是恒星，但是卻有著讓人難以理解的光學光譜，它們被天文學家稱為類星體。1963年，Schmidt（Schmidt 1963）通過在類星體3C 273的光譜中識別出強紅移的氫的巴爾末線，一舉解決了這個難題, 他的結(jié)論是：3C 273不是恒星，而是一個遙遠星系的極其明亮的核。

由于大多數(shù)類星體具有非常大的紅移，距離人類非常遙遠，并且由于這些類星體的亮度與銀河系中的普通恒星差別不大, 因此它們有著巨大的能量，其輻射的功率可超過一個普通星系輻射總功率的成千上萬倍。然而，它們的光度卻能在幾天到幾周內(nèi)就會發(fā)生顯著的變化，表明類星體的尺度只有幾光天到幾光周的大小。那么問題來了，類星體的巨大能量來自哪里呢？

類星體發(fā)現(xiàn)后, 人們陸續(xù)提出各種模型來解釋類星體的產(chǎn)能機制。在這些模型中， 超大質(zhì)量黑洞吸積物質(zhì)產(chǎn)生的輻射逐漸成為被廣為接受的解釋。

上世紀60年代末，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（Lynden-Bell 1969）。同樣，銀河系也不應例外。兩年后, Lynden-Bell 和 Rees（1971）論證了銀河系中心存在一個超大質(zhì)量的黑洞, 并提出甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)很快就能確定銀河系中心黑洞的大小。

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)歷了一個艱難而又妙趣橫生的過程。（感興趣的讀者可以參閱Goss, Brown & Lo 2003）

1974年 2月，Balick & Brown用美國的綠岸射電干涉儀正式探測到對應銀河系中心黑洞的致密射電源。此后，人們對該致密射電源提出了不同的命名，但最終只有Sgr A* 這一名稱經(jīng)受住了時間的考驗而被人們接受（Brown 1982）。Brown給出的解釋是，這一命名類比了原子物理學中激發(fā)態(tài)原子的命名方式。

毫不夸張的說，人類認識到“Sgr A*就是對應于銀河系中心四百多萬倍太陽質(zhì)量的黑洞的射電源”，代表著我們對星系核理解有了一次根本性的進步。此后的幾十年間，人們直接探測該黑洞的渴望不斷地助推技術(shù)的發(fā)展，使人類能夠一步步地“接近”黑洞的邊緣。

從厘米波到毫米波，用VLBI接近Sgr A*

對Sgr A*的首次探測經(jīng)歷了很多次嘗試才成功，主要因為銀河系中心受到強烈的星際散射的影響（Davies, Walsh & Booth 1976）。

由于散射效應的主導，Sgr A*在厘米及更長的波段所觀測到的形狀呈現(xiàn)為一個東西方向的橢圓高斯，其大小跟觀測波長的平方成正比。在VLBI技術(shù)發(fā)展的初期，由于當時射電望遠鏡的數(shù)目非常有限，需要在“正確”的觀測波長并在“合適”距離的射電望遠鏡之間才能夠探測到Sgr A*。

由于散射效應會隨著觀測頻率的升高迅速減小，因而，只有在（亞）毫米波段才能夠擺脫散射的影響，看清Sgr A*的真面目。

實際上，在波長長于幾厘米時，觀測到的Sgr A*的結(jié)構(gòu)完全是由散射主導的。在大約1厘米及更短的波長觀測時，Sgr A*的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)才逐漸顯現(xiàn)出來。隨著觀測波長不斷減小到（亞）毫米波段，一方面干涉儀的分辨本領(lǐng)會不斷增加，另一方面更容易克服同步輻射自吸收引起的不透明度影響。這些都有利于逐漸看清越來越靠近黑洞并由其引力彎曲所決定的環(huán)狀的（亞）毫米波輻射結(jié)構(gòu)（即“黑洞陰影”）。

在VLBI觀測中，為分析并解釋所觀測到的“可見度（visibility）”數(shù)據(jù)，經(jīng)常用到兩種方法：

對可見度數(shù)據(jù)直接進行模型擬合，通常采用一些幾何模型，比如二維的圓或橢圓高斯形狀、環(huán)狀、盤狀或新月狀模型等。這里模型的復雜程度由數(shù)據(jù)的特征來決定。

對可見度數(shù)據(jù)進行成像，再對圖像進行模型化分析，得出相關(guān)的模型參數(shù)，從而對所觀測的輻射結(jié)構(gòu)進行量化描述。

兩種方法各有優(yōu)劣，模型擬合比較直接，尤其在望遠鏡數(shù)目不多、基線覆蓋不足以成像的情況下就能得出一些比較可靠的結(jié)論，典型的案例是Whitney等（1971）在只有兩個望遠鏡（一條望遠鏡基線）的觀測數(shù)據(jù)的情況下，就采用了模型擬合的方法發(fā)現(xiàn)了3C 279中的視超光速現(xiàn)象。這也是很多早期觀測采用此方法的原因。但這往往會由于模型比較簡單而損失了細節(jié)。相反，成像的結(jié)果會比較直觀，但成像過程又會帶來一些額外的不確定性。在很多工作中，這兩種方法會同時使用，以便獲得最可靠的結(jié)果，這些過程往往又與數(shù)據(jù)的校準結(jié)合在一起。

隨著VLBI技術(shù)及觀測設(shè)備的發(fā)展，人們對Sgr A*開展了一系列的高辨率觀測，尤其是近二十多年來在毫米波段開展的觀測。

在7毫米波段，首次的成像結(jié)果由 Krichbaum 等于1993年獲得（Krichbaum等 1993），但由于參與觀測的望遠鏡數(shù)目較少，這些結(jié)果仍存在較大不確定性。盡管后續(xù)有不少在該波段的觀測，但由于數(shù)據(jù)校準中存在較大不確定性，人們一直未能準確地確定并扣除散射效應的影響，進而無法獲知Sgr A*的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)。其中一個主要原因是，參加觀測的絕大多數(shù)望遠鏡不是專門為毫米波觀測而建造，且多位于北半球，在觀測位于南天的Sgr A*時受到嚴重的大氣影響。2004年，Bower等通過利用閉合幅度的方法消除數(shù)據(jù)校準中的不確定性，在確定并扣除散射效應之后測量了Sgr A*的內(nèi)稟大?。˙ower等 2004）。

在3毫米波段，Rogers等于1994年首次探測到Sgr A*。中科院上海天文臺研究員沈志強牽頭的國際團隊于2002年利用美國的甚長基線干涉陣列VLBA對 Sgr A*開展了首次的高分辨率成像觀測（如圖2所示），并測量到Sgr A*在3毫米的內(nèi)稟大小，發(fā)現(xiàn)了支持銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的令人信服的證據(jù)（沈志強等 2005）。

圖二：Sgr A*在3毫米的CLEAN圖像,左右兩圖分別對應使用橢圓和圓狀潔束重建的圖像（圖片來源：沈等人 2005）

隨著位于南半球的毫米波望遠鏡的加入（例如，大型毫米波望遠鏡LMT，阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列ALMA），近年來的觀測已能夠更好地限制Sgr A*的二維內(nèi)稟結(jié)構(gòu)及星際散射的性質(zhì)（如Issaoun等人 2019, 2021）。

在1毫米波段，由于毫米波望遠鏡數(shù)目的限制一直未能實現(xiàn)真正的VLBI成像。1998年，Krichbaum等（1998）首次在位于法國和西班牙的兩個IRAM的望遠鏡間實現(xiàn)了針對SgrA*的1毫米條紋探測，并獲得了其在1毫米的角大小。Doeleman等（2008）利用一個三臺站的陣列開展了1毫米觀測，發(fā)現(xiàn)Sgr A*存在事件視界尺度上的致密結(jié)構(gòu)。通過擬合一個圓高斯狀的幾何模型，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的大小為37微角秒。由于數(shù)據(jù)的限制，這些觀測尚不能用來確定比一個圓高斯更復雜的模型。Fish等（2011）利用后來類似的觀測發(fā)現(xiàn)盡管Sgr A*的流量密度在幾天內(nèi)發(fā)生了明顯改變，但其大小隨時間的變化卻并不明顯。

Johnson 等（2015）發(fā)現(xiàn)Sgr A*的致密結(jié)構(gòu)具有明顯的線偏振特征，意味著銀河系中心黑洞的周圍存在有序的磁場結(jié)構(gòu)。通過對VLBI數(shù)據(jù)中閉合相位信息的分析，F(xiàn)ish 等（2016）發(fā)現(xiàn)Sgr A*在1毫米的輻射結(jié)構(gòu)具有不對稱性。位于智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（APEX）加入到1毫米VLBI陣列后，路如森等（2018）于2018年發(fā)現(xiàn)Sgr A*的觀測數(shù)據(jù)已不能再用單一的高斯模型來解釋。通過考慮較此稍復雜的模型，發(fā)現(xiàn)在總體為50微角秒的結(jié)構(gòu)內(nèi)存在更為致密的亞結(jié)構(gòu)。尤其是與觀測數(shù)據(jù)最符合的新月狀模型（圖3），其直徑為52微角秒，與廣義相對論預言的黑洞陰影的結(jié)果出奇地一致。這也是此次銀河系中心黑洞成像之前1毫米VLBI觀測的最新結(jié)果。

圖三：Sgr A*的致密結(jié)構(gòu)的模型示意圖（圖片來源：路如森等 2018 [注：由于合作者作梗為首次黑洞成像結(jié)果預留空間，原論文中無法發(fā)表模型擬合的最優(yōu)圖像，只能使用灰色示意圖。]）。

它的第一張照片，為什么“拍”了五年？

由于EHT合作早在2019年就公布了首次M87黑洞成像的結(jié)果（路如森&左文文 2019），此次對銀河系中心黑洞的首次成像可以說是人們期待已久的。然而人們不禁會問，既然EHT在2017年4月幾乎同時觀測了M87* 和Sgr A*, 后者的“照片”為什么如此耗時呢？

因為“沖洗”這張照片的技術(shù)難度更大。

一方面，除了前面提到的星際散射中的衍射效應造成的角致寬之外，還存在折射散射的效應，其結(jié)果是引入所謂的“折射噪聲”會疊加在Sgr A*本身所對應的可見度幅度信息上。

另一方面，更加重要的原因是，Sgr A*靠近黑洞處的射電輻射的圖案和亮度會表現(xiàn)出快速變化（典型的變化時標為幾分鐘），遠遠短于通常VLBI成像所需要的觀測時間（幾個小時）。因此對這樣的變源進行VLBI圖像重建違反了地球自轉(zhuǎn)孔徑綜合成像的基本假設(shè)（路如森等 2016）。

加之目前的望遠鏡基線覆蓋仍然比較稀疏，這些因素一起使得重建Sgr A*在事件視界尺度上的圖像面臨巨大挑戰(zhàn)，EHT合作團隊不得不開發(fā)更復雜的工具來消除散射以及這種結(jié)構(gòu)變化對成像所帶來的影響。由于VLBI重建的圖像通常不具有唯一性，EHT合作團隊利用與觀測數(shù)據(jù)的特征相一致的仿真數(shù)據(jù)來“訓練”各種成像方法，從而選取成像所需的最優(yōu)參數(shù)集。利用這些最優(yōu)參數(shù)集，我們發(fā)現(xiàn)所得到成像中的絕大多數(shù)顯示了環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其直徑、寬度和中心黑暗程度在不同的成像方法和參數(shù)選擇中是一致的。然而，重建的圖像在其具體形態(tài)上顯示出了多樣性，特別是沿著環(huán)的方位角的強度分布。這種多樣性是由于EHT目前仍然有限的望遠鏡基線覆蓋再加上Sgr A*的結(jié)構(gòu)變化所造成的。

然而，重建的圖像在其具體形態(tài)上顯示出了多樣性，特別是沿著環(huán)的方位角的強度分布。這種多樣性是由于EHT目前仍然有限的望遠鏡基線覆蓋再加上Sgr A*的結(jié)構(gòu)變化所造成的。

所有重建的圖像可根據(jù)其形態(tài)分為四個子集，其中三個子集中的圖像呈現(xiàn)出環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，只是環(huán)的亮度沿方位角的分布不同，而第四個子集中包含了相對數(shù)目較小的圖像，盡管它們也能與數(shù)據(jù)吻合，但看起來不像環(huán)形。

最終，通過將數(shù)千張使用不同成像方法得到的圖像平均起來生成了一幅Sgr A*的代表性圖像（如圖4所示）。

圖四：上方為EHT從2017年4月7日的觀測中獲得的Sgr A*的代表性圖像。下方四個圖從左到右展示了三個呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圖像子集的平均圖像和一個非環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圖像子集的平均圖像。圖中的柱狀圖顯示了屬于每個子集的圖像的相對數(shù)量，其高度代表了每個子集對最終照片的相對貢獻。（圖片來源：EHT合作組織）

基于對望遠鏡基線覆蓋的情況、時變特征、以及星際散射性質(zhì)的理解，并結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，我們可以說EHT觀測數(shù)據(jù)有力地證明了Sgr A*的圖像確實由一個直徑為50微角秒的環(huán)狀結(jié)構(gòu)主導，這與質(zhì)量為4百萬倍太陽質(zhì)量，距離地球為8kpc的黑洞所預期的“陰影”的大小非常一致。

此次成像結(jié)果為銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的存在提供了直接證據(jù)，并首次將10^3-10^5個引力半徑尺度上的恒星軌道動力學測量的預言與事件視界尺度上的圖像和時變聯(lián)系起來。更進一步地，與超大質(zhì)量黑洞M87?的EHT成像結(jié)果比較，表明了廣義相對論的預言在跨越三個質(zhì)量量級系統(tǒng)中的一致性，充分證明了“天下黑洞一般黑”！

“黑洞照相館”的下一步是“黑洞小視頻”

作為離人類最近的超大質(zhì)量黑洞，Sgr A*為我們提供了一個檢驗廣義相對論和探索黑洞天體物理的獨特實驗室。隨著此次首張銀河系中心黑洞照片的發(fā)布，后續(xù)的工作將通過偏振觀測數(shù)據(jù)來研究該黑洞周圍的磁場，并近一步研究與觀測到的X-射線耀斑活動有關(guān)的結(jié)構(gòu)變化。

2017年之后，隨著新望遠鏡的加入以及數(shù)據(jù)記錄帶寬的不斷增加，EHT陣列的靈敏度也在不斷得到提升，對Sgr A*這一變源的成像能力在不斷增強。

未來隨著更多亞毫米波望遠鏡的加入，有望實現(xiàn)對其24小時不間斷的接力成像觀測，我們將最終能夠?qū)崿F(xiàn)對該黑洞周圍物理環(huán)境的動態(tài)攝像。在這一方面，若建設(shè)位于中國的亞毫米波VLBI望遠鏡并參加相關(guān)觀測，將會起到很關(guān)鍵的作用。

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