圖説：銀河系中心黑洞的首張照片 EHT合作組織供圖
三年前，人類拍攝的首張黑洞照片亮相；兩年前，諾貝爾物理學獎將當年獎項的一半授予了發現銀河系中心超大質量的緻密物體的兩位科學家；而現在，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12日21時07分，在包括上海在內的全球七地同時召開的新聞發佈會上，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織正式發佈了銀河系中心黑洞人馬座A*（Sgr A*）的首張照片。這是該組織繼2019年發佈人類第一張黑洞照片後的又一重大突破。相關成果12日以特刊的形式發表在《天體物理學雜誌通信》。
在參與研究的中國科學院上海天文台科學家們看來，這是一張期待已久的關於銀河系中心大質量天體的真面目肖像——此前，天文學界普遍認為人馬座A*應該是一個超大質量黑洞，但畢竟只是基於數據推測，而這一成果“實錘”了該天體就是黑洞，為理解這種被認為居於大多數星系中心的“巨獸”行為提供了寶貴的線索。
圖説：北京時間12日21時07分，在包括上海在內的全球七地同時召開新聞發佈會 來源/中科院上海天文台
疑問到實錘得益於科技進步
科學家此前已觀測到眾多的恆星圍繞着銀河系中心一個不可見的、緻密的和質量極大的天體作軌道運動——在上世紀70年代，天文學家通過美國綠岸射電干涉儀探測到對應銀河系中心黑洞的緻密射電源。此後，人們對該緻密射電源提出了不同的命名，但最終只有人馬座A*這一名稱經受住了時間的考驗而被人們接受，這也暗示被稱作人馬座A*的天體很有可能是個黑洞。
先來回顧一下黑洞的知識：黑洞是引力極強的時空區域，任何東西，甚至光都無法逃逸。黑洞不發光，因此我們看不見黑洞自身，但繞轉的發光氣體給出了它存在的信號。給黑洞“拍照”，實際是拍攝到黑洞的“陰影”。
要知道，銀河系中心受到強烈的星際散射的影響，想要一窺“廬山真面目”，得靠在（亞）毫米波段的觀測。隨着近年來在深空探測工程中屢立新功的VLBI（甚長基線干涉測量）技術以及觀測設備的發展，科學家們對Sgr A*開展了一系列的高辨率觀測。
圖説：建成於2014年的上海VLBI天文處理平台的超級計算機 來源/中科院上海天文台
就我國科學家而言，中科院上海天文台研究員沈志強牽頭的國際團隊在20年前就利用他國的VLBA對 Sgr A*開展了首次的高分辨率成像觀測，並測量到Sgr A*在3毫米的內稟大小，發現了支持銀河系中心存在超大質量黑洞的令人信服的證據。
距離更近，拍攝更難？
三年前公佈的人類首張黑洞照片的主角M87*距離地球約5500萬光年，而人馬座A*黑洞距離地球僅2.7萬光年；M87星系黑洞的質量有太陽的65億倍之多，人馬座A*黑洞的質量上只相當於太陽的400萬倍，換句話説，銀河系中心的黑洞比M87*小了1500多倍。
圖説：銀河系中心黑洞與M87中心黑洞的對比 來源/中科院上海天文台
為何給更近、更小的黑洞“拍照”反而用了更久的時間？
來自斯圖爾德天文台、亞利桑那大學天文系和數據科學所的EHT科學家打了個比方：“有點像給一隻正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。”原來，黑洞周圍的氣體均以幾乎接近光速繞着Sgr A*和M87*高速旋轉。氣體繞轉M87*一週需要幾天到數週時間，但對於相對小很多的Sgr A*來説，幾分鐘內氣體即可繞轉一週。這意味着就在EHT觀測Sgr A*之時，該超大質量黑洞周圍繞轉氣體的亮度和圖案也在時刻快速變化着。
研究人員不得不開發新的複雜的工具來考慮圍繞Sgr A*的氣體運動。為M87*這種穩定和幾乎所有圖案都相同的目標成像相對容易，對於Sgr A*就完全不一樣了。Sgr A*的黑洞照片是研究團隊通過將數千張使用不同計算方法得到的圖像平均起來生成的，所有這些圖像都可準確擬合EHT數據。最終照片保留了在所有不同圖像中更常見的特徵，並抑制了不常見的特徵——這也是為什麼照片上顯示了三個光斑的原因。
此外，M87*黑洞的轉動軸只有17度，換句話説，沿着它的轉軸方向看去，幾乎沒什麼遮擋；而人類處於銀河系內部，拍攝銀心可以用一句古詩概括：不識廬山真面目，只緣身在此山中。
圖説：EHT合作團隊將從Sgr A*的2017年EHT觀測數據中提取的諸多照片組合製作成一張銀河系中心超大質量黑洞Sgr A*的最終照片 EHT合作組織提供
極大提升了對銀心的認識
毫無疑問，人馬座A*黑洞照片的問世是一項突破性的天文觀測成果。在中科院上海天文台台長沈志強看來，這次成像結果為銀河系中心超大質量黑洞的存在提供了直接證據，而與超大質量黑洞M87*的“照片”比較，表明了廣義相對論的預言在跨越三個質量量級系統中的一致性，充分證明了“天下黑洞一般黑”。
“我們驚歎於環的大小與愛因斯坦廣義相對論預測結果出奇一致！”來自天文與天體物理研究所的EHT項目科學家傑弗裏·鮑爾也表達了相同的觀點，“這些前所未有的觀測極大地提升了我們對銀河系中心所發生一切的認識，併為瞭解超大質量黑洞如何與周圍環境相互作用提供了全新視角。”
資料圖：三年前發佈的世界首張黑洞照片 EHT合作組織提供
在外行人看來，這兩張黑洞照片都酷似甜甜圈。“它們來自兩種不同類型的星系，且具有極不相同的黑洞質量，但當我們聚焦在這些黑洞的邊緣時，它們看起來竟神奇得相似。”來自阿姆斯特丹大學的理論天體物理學家、EHT科學委員會聯合主席塞拉·馬爾科夫教授説，“這告訴我們靠近黑洞的物體完全受廣義相對論支配，我們在遠處所看到的不同表象是由黑洞周圍物質的差異造成的。”
顯然，科學家對最終獲得兩個不同大小黑洞的照片尤其興奮，這為他們的對照研究提供了條件——天文學家已經開始用這些新的數據來檢驗超大質量黑洞周圍氣體行為的相關理論和模型。目前這個過程尚不完全清楚，但被認為對星系的形成和演化起了關鍵作用。
“後續的工作將通過偏振觀測數據來研究該黑洞周圍的磁場，並近一步研究與觀測到的X-射線耀斑活動有關的結構變化。”沈志強介紹。
為國際合作貢獻中國力量
銀河系中心黑洞距離地球有2.7萬光年之遙，所以它的大小看上去與從地球上看38萬千米遠月亮上的甜甜圈大小差不多。為了給它拍這張照片，研究團隊創建了觀測利器：由分佈在全球六地的八個射電望遠鏡組成的一個猶如地球那麼大的虛擬望遠鏡。EHT對Sgr A*開展了多個晚上的觀測，每次連續採集了好幾個小時的數據，就如同相機的長時間曝光。
圖説：EHT由分佈在全球六地的八個射電望遠鏡組成猶如地球那麼大的虛擬望遠鏡 EHT合作組織提供
記者瞭解到，EHT合作組中，300名成員參與了該成果的發表，分別來自80個研究機構，包括17位中國大陸學者，分別來自中科院上海天文台、李政道研究所等單位。在此次EHT合作中，我國科學家積極參與早期EHT國際合作的共同推動、EHT望遠鏡觀測時間的共同申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測運行、後期數據處理分析和結果分析等。
來自上海天文台的EHT合作成員路如森説：“確實，對銀河系中心黑洞首次成像觀測的數據分析耗費了EHT合作團隊的巨大心血。”另一位來自上海天文台的EHT合作成員江悟補充説，研究團隊遍歷了極大的成像參數空間，才得以確定這張黑洞照片。
圖説：上海65米天馬望遠鏡 來源/中科院上海天文台
此外，在EHT全球聯合多波段觀測的2017年3至5月間，上海65米天馬望遠鏡作為東亞VLBI網的主力測站參加了17次對M87和Sgr A*的協同觀測，顯著提高了東亞VLBI網的觀測靈敏度，在微弱信號探測方面發揮作用。
而EHT理論和模擬工作組組長、上海交通大學李政道研究所的副教授水野陽介表示：“在成像過程中，我們使用了超級計算機進行了非常大規模的計算，如上海交通大學的思源一號，數值模擬生成了超過20萬張圖像，我們需要分析每張圖像以選擇出那些可以再現黑洞附近結構的圖像。”
未來還要給黑洞拍視頻
EHT並未停止觀測研究的腳步：就在今年3月份剛完成了有更多望遠鏡參與的聯合觀測。EHT的持續擴展和技術革新將使得科學家可以分享更引人注目的照片，包括在不久的將來的黑洞“電影”。
圖説：2020年成圖工作組其中一次討論會集體照 EHT合作組織提供
事實上，EHT在M87黑洞首次成像後，就提出了下一代EHT計劃（ngEHT），希望在地球上佈設更多的亞毫米波望遠鏡，增加觀測靈敏度及頻率覆蓋等，來提升黑洞成像的質量與速度，以拍攝更清晰的“甜甜圈”和第一部黑洞視頻。
“每一幀畫面都有很大的變化，我們希望能夠將它連續地拍攝下來，以得到完整的、清晰的物理過程。”沈志強也是EHT合作國內協調人，“拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是下一代EHT的追求。”
據介紹，中國科學家正在規劃建設中國的亞毫米波VLBI望遠鏡，以期參與到對Sgr A*的24小時不間斷的接力觀測中。上海天文台副研究員江悟表示，我國西部地區具備優良的觀測條件，台內同事已經前往相關區域展開選址工作，如果未來能夠佈設亞毫米波望遠鏡，或為觀測提供獨特的基線覆蓋。
新民晚報記者 郜陽 易蓉