第二张黑洞照片“洗”出来了

人类拍摄的首张黑洞照片。（EHT/图）

黑洞是宇宙中具有极端物理条件的神秘天体，数十年来是天体物理学研究中的中心课题之一。虽然黑洞不可见，但天体物理学家有越来越多的证据证明黑洞真实存在。他们还在努力尝试给黑洞“拍照”，希望真正做到“眼见为实”。

北京时间2022年5月12日晚21点，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）合作组织在中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿、智利圣地亚哥、墨西哥墨西哥城和德国加兴同时召开新闻发布会，发布事件视界望远镜拍摄到的银河系中心超大质量黑洞人马座A*（Sagittarius A*，简写为Sgr A*）的首张照片，这是这个黑洞真实存在的首个直接视觉证据。

该组织曾于2019年4月10日发布人类拍摄的首张黑洞照片即黑洞M87*的照片，此次是第二次发布黑洞照片。两个黑洞均具代表性，两张黑洞照片的问世对于天体物理学家更加全面地了解黑洞的物理性质、星系的形成和演化等问题具有重要意义。

特别的望远镜

与我们通常熟悉的望远镜不同，拍摄黑洞照片的事件视界望远镜实际上并非某台特定的望远镜或者某个特定的望远镜阵列，而是一个虚拟的射电望远镜网络。望远镜的名字“事件视界”来自黑洞物理学，指的是光线也无法逃脱的黑洞边界。

这个望远镜网络以位于星系中心的超大质量黑洞为观测目标，利用甚长基线干涉技术（VLBI），联合位于世界多地的射电望远镜，形成口径等效于地球直径的虚拟望远镜，从而将望远镜的角分辨率提升到足以观测事件视界尺度结构的水平。除了拍摄黑洞外，事件视界望远镜的主要科学目标还包括在此基础上检验广义相对论以及理解黑洞吸积盘和喷流的机制等。

2006年是事件视界望远镜元年，研究人员将两个黑洞确定为观测目标，也就是在2019年和2022年先后发布照片的两个黑洞M87*和Sgr A*。这两个黑洞各具特点：超大质量黑洞M87*位于距离地球5500万光年的室女座椭圆星系M87中，它的质量大约相当于太阳质量的65亿倍，发出长度达到5000光年的由带电亚原子粒子形成的快速、明亮的喷流；位于银河系中心的黑洞Sgr A*的质量估计约为太阳质量的400万倍，比前者小得多，同时也近得多，距离地球约为2.7万光年。

事件视界望远镜网络中的3台射电望远镜在2007年开始对Sgr A*进行观测，2009年开始对M87*进行观测。此后，陆续有其他射电望远镜加入这个观测网络，使得事件视界望远镜具备更强的观测能力。2012年，参与事件视界望远镜观测的研究人员举行了第一次会议。2015年，事件视界望远镜合作组织正式成立。

这台虚拟望远镜由分布在世界多地的射电望远镜组成，各台望远镜有各自不同的观测任务和时间排期，同时不同地区的观测条件随季节变化很大，因此望远镜网络在一年中只有很短的时间能共同对目标黑洞进行观测。2017年4月，研究人员认为望远镜的数量和分布、观测排期以及各望远镜所在地区的观测条件都达到了要求，具备了拍摄黑洞的条件，因此决定启动当年的观测，观测时间选在4月5日至4月14日这10天中的5天。

此时，事件视界望远镜由分布在智利、美国、西班牙、墨西哥和南极6地的8台射电望远镜组成，包括位于智利的阿塔卡马大型毫米亚毫米阵列（ALMA）和阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）、位于美国本土的亚毫米波望远镜（SMT）、位于美国夏威夷的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜（JCMT）和亚毫米波阵列（SMA）、位于墨西哥的大型毫米波望远镜（LMT）、位于西班牙的IRAM 30米望远镜以及位于南极的南极望远镜（SPT）。在2017年的观测之后，又有格陵兰望远镜（Greenland Telescope）、位于法国的NOEMA天文台（IRAM NOEMA Observatory）和位于美国的基特峰12米望远镜（Kitt Peak 12-meter Telescope）加入到这个观测网络中。

银河系中心超大质量黑洞SgrA*的照片。（EHT/图）

第二张黑洞照片

在事件视界望远镜合作组织发布的第一张黑洞照片中，黑洞M87*形似一个甜甜圈，引起了公众的广泛关注。这次在照片中现身的黑洞Sgr A*，我们也可以把它看成一个甜甜圈，因为这个视直径为52微角秒的黑洞，大小就如同从地球看月球上的一个甜甜圈。

有些巧合的是，两个黑洞的视直径只有微小的差别，因此两个黑洞看起来几乎一样大，这是由黑洞的实际大小和同地球的距离两个因素所决定的。黑洞是广义相对论最重要的预言之一，根据广义相对论，我们只需要知道黑洞的质量以及同地球的距离，就能精确地预测环的视直径。黑洞的大小与质量严格成正比，M87*的质量约为Sgr A*的1600倍，因此前者的大小也是后者的约1600倍。与此同时，M87*同地球的距离是Sgr A*同地球的距离的2000倍。两个黑洞大小和距离上的差距恰好相互抵消，因此有近似的视直径。

黑洞不发光，因此我们无法看到黑洞自身，事件视界望远镜采用间接方法对黑洞成像。黑洞周围绕黑洞旋转并落入黑洞的气体会发出强烈的辐射，这些明亮气体组成的环状结构围绕的中心区域（研究人员称之为“阴影”）就是黑洞。在Sgr A*的照片中，我们可以看到在M87*的照片里同样存在的环状结构和阴影。两张照片揭示出环状结构是黑洞的普遍特征，广义相对论能够对质量相差3个数量级的黑洞的环状结构作出精确预测。两个位于不同类型的星系中的黑洞质量相差一千多倍，却表现出了相似的外观，也说明黑洞附近的物体完全受到广义相对论的支配。

事件视界望远镜合作组织在2017年完成拍摄后，分别在2019年和2022年才分别发布了两个黑洞的照片，主要有几个方面的原因。首先，观测获得的数据量非常庞大，无法以通常的方式通过网络进行传输。观测每天产生的数据量相当于欧洲核子研究中心（CERN）一年产生的数据量，总的数据量达到了4PB（4000TB）。因此，观测获得的数据要使用硬盘进行存储，然后被送往位于美国麻省理工学院海斯塔克天文台和德国马克斯·普朗克天体物理研究所的数据中心。在那里，研究人员使用超级计算机对数据进行处理和分析，完成“冲洗照片”的过程，然后才能获得我们看到的黑洞照片。

同时，两个黑洞的照片发布时间相隔3年，说明获得黑洞Sgr A*的照片比获得M87*的照片困难很多，需要研究人员投入更多的时间。受黑洞巨大引力的影响，黑洞周围的气体以接近光速的速度绕着黑洞旋转。黑洞M87*非常巨大，围绕M87*旋转的气体旋转一周需要几天到几周的时间，这些气体发出的辐射在较短时间内基本不变，这就为事件视界望远镜的拍摄提供了便利。相比之下，黑洞Sgr A*小得多，周围气体在很短的时间内就能绕黑洞旋转一圈，时间尺度为5到15分钟。因此，在事件视界望远镜进行观测的这段时间内，Sgr A*周围气体的亮度和图案也在快速发生变化，这就给拍摄提出了更大的挑战。

参与黑洞拍摄的南极望远镜。（南极望远镜/图）

拍摄Sgr A*的照片还有另外一个障碍，即银河系中心强烈的星际散射。这种散射效应会随着观测波长的减小而减小，在毫米或者亚毫米波段才能摆脱散射的影响，因此研究人员需要在这个波段上对Sgr A*进行观测。从20世纪90年代开始，他们曾经先后在7毫米和3毫米波段对Sgr A*进行过观测，并最终通过事件视界望远镜实现在1毫米波段的观测，达到了拍摄照片所需的要求。

来自全球80个研究机构的300多名研究人员参与到拍摄和处理黑洞照片的工作中。首先，事件视界望远镜给Sgr A*拍摄了数千张照片。接下来，研究人员开发出复杂的工具对这些照片进行处理。他们将这些照片根据相似的特征分成四个子集，其中有三个子集的图像呈环状结构，但环状周围的亮度分布不同，这三个子集分别含有上千张照片；第四个子集的图像虽然与数据吻合，但不像一个环，这个最小的子集包含数百张照片。不同子集在合成过程中有不同权重。最终我们看到的照片就是对这些照片进行后期处理的结果，其中保留了在不同图像中更常见的特征。

银河系中心的怪兽

研究人员根据质量把黑洞分成三类：恒星级质量的黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞，超大质量黑洞的质量范围从数十万倍太阳质量到上百亿倍太阳质量不等。他们推测，在包括银河系在内的每一个星系的中心都存在一个黑洞，因此距离我们最近的银河系中心的黑洞就自然成为研究热点。这次发布的照片为银河系中心存在一个黑洞提供了更为坚实的证据，而在此前的几十年中，研究人员已经对这个黑洞进行了长期研究。

2020年诺贝尔物理学奖授予英国科学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、德国科学家莱茵哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德里亚·吉兹（Andrea Ghez），以表彰他们在黑洞理论和观测研究领域内的杰出贡献，其中根泽尔和吉兹的获奖理由是“发现了银河系中心的超大质量致密天体”，二人分享了另外一半奖金。这里的致密天体指的就是这次拍摄的黑洞Sgr A*。

从20世纪90年代开始，根泽尔和吉兹分别带领各自的研究团队，关注银河系中心的一个区域。他们绘制了那些离银河系中心最近、最明亮的恒星的轨道。这两个研究团队在进行测量后都发现，一个质量极大却又不可见的天体牵引着这些恒星，使它们以惊人的速度运动。在这个不大于太阳系的区域里，却聚集着质量超过400万个太阳的物质。由此他们推断，在那个区域存在一个超大质量黑洞。

在上海召开的新闻发布会上，中国科学院上海天文台台长、事件视界望远镜合作组织中国大陆协调人沈志强研究员表示，研究团队下一步将制作黑洞Sgr A*的动图，即把照片变成电影，从而更加深入地了解这个黑洞的特性。在2019年发布黑洞M87*的照片后，研究团队曾在2020年发布了黑洞M87*的动图。

2017年后，事件视界望远镜在2018年也进行了观测，此后合作组织取消了2019年和2020年的观测，而在2021年安排了观测。2022年3月，事件视界望远镜完成了最新一轮的观测。与获得两张黑洞照片的2017年的观测相比，2022年完成的观测有更多望远镜参与联合观测，记录的带宽在不断增加，阵列的灵敏度在不断提升，同时研究人员在持续地改进数据处理技术，因此我们有望获得更加丰富的黑洞信息。

事件视界望远镜观测和拍摄黑洞，极大加深了我们对黑洞物理学的认识。研究人员获得两个不同大小的黑洞的照片，也为他们进行对照研究提供了条件。他们可以深入研究黑洞周围气体的行为，这个过程被认为在星系的形成和演化过程中发挥了关键的作用。

未来随着更多亚毫米波望远镜加入观测网络，事件视界望远镜有望对Sgr A*进行24小时不间断的接力成像观测。中国科学家已经提出建设亚毫米波甚长基线干涉望远镜的计划，希望以此加入到接力观测中，对黑洞研究作出更大的贡献。

南方周末特约撰稿 鞠强

关键词： 第二张黑洞照片洗出来了 事件视界望远镜