北京时间2022年5月12日21:00，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！
这张照片是对人类半个多世纪持续研究的最好回报，背后也汇聚了全球数百位科学家5年的辛勤付出。它的诞生，开启了人类对银河系中心黑洞探索的新篇章。我们邀请中国科技馆影院管理部助理研究员、天体物理学博士宋楠来作详细解读。
银河系中心超大质量黑洞图
阿塔卡马大型毫米/亚毫米望远镜阵列（ALMA）正在观测夜空，图中标明了银河系中心超大质量黑洞的位置和它的照片。
（1）从预言到现实——横跨半个世纪的探索
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，用大家熟悉的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，成为了研究“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于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。1971年，纳德·林登贝尔和马丁·里斯首次预言，我们银河系的中心有一个超大质量黑洞。从那以后，无数的观测天文学家们调动最先进的望远镜，开始了对这个黑洞踪迹的一步步探索。
1974年，布鲁斯·贝里克和罗伯特·布朗利用绿岸天文台的干涉仪在更精确的范围内锁定了射电源的位置，它在1982年被命名为人马座 A*，人们借鉴原子的激发态用*表示的方式，来类比这个令人激动的目标源。随着望远镜口径不断增大和探测仪器波段的丰富，人们得以通过不同的射电波段，看到更加清晰的人马座 A*的图像，这意味着天文学家正在向这个黑洞逼近，您可以想象配眼镜时不断努力看视力表下一行时的样子。
当然，天文学家们除了在射电波段的努力外，上文提到的红外波段，也同样取得了对银河系中心研究的惊人进展。我们知道黑洞巨大的引力会对周围物体的运动产生影响，黑洞周围的恒星无疑是非常好的观测目标。从20世纪90年代开始，赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹就各自领导了一个天文学家小组，致力于研究人马座 A*周围的恒星运动。他们数十年如一日用红外波段望远镜盯着人马座 A*，将它周围十几颗恒星运动轨道描绘了出来，恒星绕转的过程中，靠近人马座 A*时，速度变快，远离时则变慢。两个小组分别独立计算出，在一个与太阳系大小相仿的区域里，聚集着大约400万个太阳质量的物质，间接证明了银河系中心超大质量黑洞的存在。他们也因此获得了2020年的诺贝尔物理学奖。
（2）由观测到成图——人类共同智慧的结晶
有了半个世纪射电波段研究的积累，加上红外波段的间接证据，使得天文学家们开启了更加宏伟的计划，用世界上最大的望远镜给银河系中心拍照片，真正得到中心黑洞的直接证据。于是，事件视界望远镜（EHT）应运而生。
在爱因斯坦的广义相对论中，事件视界是时空中的一个区域，巨大的引力导致即使光掉入这一区域内都无法逃脱。虽然我们无法看到事件视界内的任何物体，但在事件视界大约2.6倍左右的范围外，则可以观测到黑洞周围引力弯曲的光，形成一个光环包裹着中心看不见的阴影区域。
对于有400万倍太阳质量的银河系中心黑洞来说，能看到它周围光环的直径约为6240万公里。这个直径看起来很大，但您别忘了它距离我们有2.7万光年远，如果要看到它，相当于要在地球上分辨出距离我们38万公里外月球上的一个甜甜圈。而EHT的目标就是要使望远镜的分辨率达到这个能力。那什么样的望远镜才可以胜任这一目标呢？
望远镜的分辨率由波长与望远镜口径的比值得到，显然在固定了射电波段波长的情况下，只有尽可能增大望远镜的口径，才有可能达到分辨率的要求。这时候，单个望远镜口径满足不了要求。而一种被称为VLBI（甚长基线干涉）的技术，则可以“造就”更大口径的望远镜。如果把地球上分布在东南西北不同位置的望远镜组合起来，利用VLBI技术将它们联合成一个地球大小的“虚拟望远镜”，望远镜的口径可以达到一万公里接近地球直径。在1.3毫米的射电波长下，就可以满足给黑洞拍照的要求了。
于是，EHT国际合作组织协调了位于全球6个地方的8台射电望远镜或阵列，让它们在2017年4月的5个晚上，同时对银河系中心按下“快门”，采集了黑洞的观测数据。数据量高达PB的量级，也就是需要上千块1TB的家用移动硬盘才能装下。如此巨大的数据用网络传输并不现实，它们通过专门的存储硬盘被送到位于美国和德国的数据中心进行处理。
虽然拍照片的时间只有5天，但“洗照片”的时间却远超科学家的最初设想。除了数据量巨大，各个望远镜的数据需要协调校准一致外，还有一个最大的困难是银河系中心黑洞客观性质带来的。由于黑洞周围发光气体绕转的周期只有几个小时，而8台不同望远镜能够同时进行观测的时间又很短，导致黑洞看起来在不停地变化。就好比你要给一个正在疯狂转圈咬自己尾巴的小狗拍照，很难拍清楚它的样子。
为了解决遇到的各种问题，上百名科学家分成不同小组，利用不同的方法和模型对数据进行处理分集，再进行对比分析。最终花费了5年时间，才将数千张使用不同成像方法得到的图像平均起来，生成了最终所发布的黑洞照片。据参与图像处理的上海天文台路如森研究员介绍，参与数据处理的科学家有些由于种种原因中途退出了，但最终更多的人坚持了下来。整个EHT国际合作组织，共有13个核心参与机构，成员来自120个不同单位，分布于东亚、南非、欧洲和南北美洲各地的21个国家和地区，其中中国大陆境内学者17人，所以拍摄的银河系中心黑洞照片，无疑是国际合作的典范，人类共同的智慧结晶。
拍摄黑洞照片所用的望远镜及所在位置
（3）又一个“甜甜圈”——黑洞照片背后的科学
在回顾了银河系中心黑洞探测历史和照片产生的艰辛过程后，让我们一起来凝视这张照片，看看它究竟包含了哪些重要的科学意义。想必很多朋友第一次看到照片时，都会或多或少感到有些失望。它既不像哈勃望远镜拍摄的照片那样美丽绚烂，似乎也没有很多科研图像那么高深复杂，就是一个普通的橙色不规则亮环，而且还模模糊糊地没拍清楚。
首先说一下照片的颜色，其实这里大家看到的橙色，并不是望远镜真实拍摄出来的颜色。我们在前面介绍过，这张照片是在1.3毫米的射电波段拍摄的，而可见光的橙色对应的波长在600纳米左右。所以这里的橙色，其实是科学家赋予的伪彩色，颜色只是为了适应人眼观看的需要，并没有实际的意义。亮环的形状和大小才是关键。
其实，早在两年前，EHT国际合作组织就曾经发布过人类有史以来第一张黑洞照片，位于5500万光年外椭圆星系M87中心的超大质量黑洞M87*。那张黑洞照片，同样也是一个亮环的样子，一眼看上去，就像是个甜甜圈。如果你忽略暗处的一些细节，眯起眼睛看整体结构，是不是两个黑洞看起来差不多？人马座 A*黑洞的照片，轮廓上看起来同样是个甜甜圈的样子。
而之所以光都无法逃出的黑洞会呈现出甜甜圈的样子，便是我们前面介绍过的原因。根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞周围气体的光，被黑洞附近强大的引力场弯曲，最后能够到达我们地球的光线，就会呈现为一个明亮的环状结构，中间会形成一个暗弱的阴影区域，这个区域的大小大约是黑洞视界的2.6倍左右。两个黑洞照片都展现出平淡无奇的“甜甜圈”形状，恰恰证明了广义相对论理论预测的正确性！要知道，M87*的质量是太阳的65亿倍，相当于人马座 A*质量的1600倍。现实中两个质量相差上千倍的事物，形态样貌甚至组成结构很可能千差万别。而相差三个数量级的黑洞，最终拍出照片的模样却如此相近，更加证明了广义相对论在强引力条件下广泛的适用性。
当然，除了相同之处，我们也可以通过细节找到不同，并同样可以给出科学的解释。人马座 A*比M87*看起来模糊，甜甜圈不够圆也不太对称。除了前面介绍的人马座 A*周围气体运动变化快，照片拍得不清楚的原因外，银河系中心黑洞的吸积率低并且其周围的辐射强度不稳定，也会使它看起来不够均匀对称。
相比于通过观察周围恒星绕转证明黑洞存在的间接证据，人类首次揭开银河系中心黑洞真容，给出了银河系中心大质量黑洞存在的直接“视觉”证据。这无疑是一个崭新的开始。我们相信，未来人类依靠科技的力量将继续把不可能变成可能。
M87*（左）和人马座 A*（右）黑洞照片对比
