新知丨给银河系中心的“巨兽”拍照

这是天文学家5月12日公布的银河系中心黑洞首张照片。新华社发

北京时间5月12日21时，事件视界望远镜（EHT）合作组织在上海等全球7个城市同时召开新闻发布会，公布了首张银河系中心超大质量黑洞（人马座A*）的照片。人类历史上第一次揭开了银河系中心的真容。

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。它的诞生，开启了人类对银河系中心黑洞探索的新篇章。

初识黑洞

对于神秘浩瀚的宇宙，人类总是充满了想象，它们大多来自人类最原始的好奇心。而随着科技的发展，很多想象变成了科学的预言，又通过一代代科学家的不懈探索，进一步变为了现实。

现代天文学告诉我们，我们夜晚看到的美丽银河，其实是一个扁平圆盘状的旋涡星系，由上千亿颗恒星组成。而我们所处的太阳系作为其中的普通一员，在距离银河系中心2.7万光年远的地方，绕着银河系的中心旋转。

“银心”位于人马座方向，那里布满了大量的气体和尘埃，用可见光波段很难观测，波长较长的红外和射电波段受到的影响较小，成了研究“银心”的主要途径。

1933年，贝尔实验室的卡尔·央斯基发表论文，宣布发现了可能来自银河系中心的射电辐射，这是人类第一次捕捉到太空深处的无线电波，但那时的科学家们对这个强烈射电辐射背后隐藏的秘密却一无所知。随后三十年间，人们不仅证实了央斯基的发现，还在其他更加遥远的星系中，同样找到了强烈射电辐射的踪迹。

相似的发现让理论学家提出了大胆的预言，星系的中心会藏有超大质量黑洞，它正是强烈射电辐射的来源。

黑洞是让很多人都感到无比好奇的宇宙天体。但这个宇宙“怪兽”，却少有人真正地了解它。

什么是黑洞？“通俗来讲，黑洞其实就是巨大恒星的残骸。”河北省天文爱好者协会理事长秦瑞强说。

据介绍，恒星的内部不断地在进行着热核反应。当一颗恒星衰老时，它因热核反应耗尽了中心的燃料，由中心产生的能量已经不多了。这时，它再也无法承担起外壳巨大的重量，因此，在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点“进军”，在这个时候会发生持续相当长时间的超新星爆炸，直到最后这颗恒星形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体，这就是黑洞。

从地球飞到太空，火箭需要达到每秒7.9公里的速度。随着地球质量的不断增加，它的表面引力也会增加，火箭逃离地球的速度会越来越大。当这个速度达到每秒30万公里的时候，任何东西都无法逃出这个天体，包括光。

黑洞就是这个连光都无法逃脱的天体，这个区域被称为黑洞的事件视界。

在这里面，任何光线都无法逃出，所有物质和质量都会聚集到黑洞中心的奇点上，这里时空曲率无限大，引力无穷大。一旦进入事件视界，世界上，所有我们已知的物理定律就会失效。

1971年，天文学家纳德·林登贝尔和马丁·里斯首次预言，银河系的中心有一个超大质量黑洞。因为黑洞的性质，人们无法直接观测到它的样子。但黑洞在吞噬其他物质的时候，会形成一个吸积盘，在吸积盘内大量的物质围绕着黑洞旋转、摩擦、升温，使得这里的温度能达到上百万摄氏度，会显得非常明亮。

黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。20世纪初，爱因斯坦的广义相对论让黑洞广为人知，可科学家们直到1970年才发现第一个黑洞。

虽然科学家们早已在超级计算机中模拟出了黑洞的模样，但一直以来科学家们都希望能给黑洞拍个照。

给黑洞拍照

随着技术的不断进步，人类终于可以给黑洞拍照了。科学家们选择了两个超大型黑洞作为“模特”。

今年发布的是银河系中心的超大质量黑洞人马座A*，它距离地球有2.7万光年，质量超过了太阳质量的400倍。而2019年公布的黑洞照片则来自M87星系，它更远更大，距离地球有5500万光年之遥，质量为太阳的65亿倍。

“人们从地球上观测这两个黑洞，它们都非常小，环状结构的视直径大约只有40到50微角秒。”秦瑞强介绍，一个微角秒大概是从月球上看地球上一篇文章末尾的句号大小。这两个黑洞仿佛就是我们从地面看38万公里外月球表面上的一个“甜甜圈”。

这么小的视直径对望远镜的角分辨率提出了挑战。

“角分辨率是描述望远镜能力的专有名词。”秦瑞强说，角分辨率越小，望远镜分辨遥远天体的能力就会越强，我们能获取到的图像就越清楚。

光学望远镜受到镜片工艺和地球大气的影响，分辨能力较弱，即使是在建的39.3米口径的欧洲极大望远镜，理论上的极限角分辨率也只能达到1000微角秒，这和50微角秒还相差甚远。

于是，科学家们想到了射电望远镜。

单台射电望远镜口径可以做到几十米甚至上百米。虽然因其观测波长更长，使得分辨能力远低于同口径的光学望远镜，但科学家们可以使用一种VLBI（甚长基线干涉测量）技术，把两台甚至更多的射电望远镜组成一台更大口径的射电望远镜，通过增加口径来提升分辨能力。

据介绍，2019年公布的黑洞照片也有上海天马望远镜的贡献。它与韩国、日本的几个台站组成东亚VLBI网开展观测。天马望远镜的加入，使东亚VLBI的成图质量提高了53%。

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。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。

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，组成了一个所谓的“事件视界望远镜”，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。“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。”专家说，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。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。

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曾这样形容过观测人马座A*的艰难：“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。”

未来EHT将拍一部黑洞“电影”

利用已有的两个质量相差1500倍以上的黑洞的照片，科学家们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。

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。”有天文学家如是说。

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。

专家表示，科学家还将把望远镜对准其他目标源，制作更多“甜甜圈”。由于其他“甜甜圈”更迷你，建设空间望远镜或可以实现这一目标。（河北日报记者 王璐丹）