2022 年 5 月 12 日，銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的照片首次亮相。此為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）團隊繼 2019 年發(fā)布人類首張黑洞照片后所發(fā)布的第二張黑洞照片。鮮為人知的是，這張照片的誕生，過程艱難、曲折而又漫長。

/ 銀心初探：400 年的 " 備孕 "

照片的主人公，是位于銀河系中心的超大質(zhì)量天體，天文學家稱它為人馬座 A*，英文 Sagittarius A*，簡稱 Sgr A*。它的質(zhì)量超過太陽質(zhì)量的 400 萬倍，距離地球 2 萬 7 千光年。事實上早在人類不知銀河是星系，也不知銀河里有黑洞的時候，那片天區(qū)就已經(jīng)引起了某位天文先驅(qū)的觀測興趣。沒錯，這位先驅(qū)就是伽利略 · 伽利雷（Galileo Galilei）。在 1610 年，伽利略用他的望遠鏡對準銀河上的一團 " 星云 "，發(fā)現(xiàn)裸眼看起來是云狀的東西，實際上包含了很多的恒星。后來，1785 年，英國天文學家威廉 · 赫歇爾（William Herschel）針對望遠鏡分解出的這些恒星，繪制了銀河系的粗略地圖。

1918 年， 美國天文學家哈羅 · 沙普利（Harlow Shapley）定位出銀河系的中心。他利用造父變星測量距離，確定出銀河系內(nèi)一族球狀星團暈，是圍繞著某個中心在旋轉(zhuǎn)運動，該中心在人馬座的一塊天區(qū)當中。那塊區(qū)域在可見光波段被很厚的氣體和塵埃所遮擋，因而無法被當時的望遠鏡看到。

隨后，射電技術(shù)登上歷史舞臺。被譽為 " 射電天文之父 " 的卡爾 · 央斯基（Karl Jansky）是貝爾電話實驗室的一名工程師，他在 1932 年首次發(fā)現(xiàn)了來自太空的射電波。后續(xù)的研究表明，央斯基探測到的射電波正是來自于銀河系的中心區(qū)域，后來這片區(qū)域被稱作人馬座 A，其中 A 表示那是該星座天區(qū)中最亮的區(qū)域。1951 年，澳大利亞天文學家進一步縮小發(fā)射源可能存在的范圍，并表明它很可能就來自星系中心。

1974 年，布魯斯 · 巴里克（Bruce Balick）和羅伯特 · 布朗（Robert Brown）利用美國國家射電天文臺的綠岸干涉儀正式探測到銀河系中心黑洞對應(yīng)的致密射電源。人們對該致密射電源提出了不同的命名，但最終只有布朗提出的 Sgr A* 這一名稱經(jīng)受住了時間的考驗而被人們接受。布朗給出的解釋是，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。

2002 年，馬克斯 · 普朗克地外物理學研究所的萊因哈德 · 根澤爾（Reinhard Genzel）小組，公布了一顆恒星 S2 圍繞 Sgr A* 運動的結(jié)果，這顆恒星他們監(jiān)測了十年。這個結(jié)果表明銀河系中心的天體質(zhì)量大于 4 百萬倍太陽質(zhì)量。在 2009 年，安德莉婭 · 蓋茲（Andrea M. Ghez）小組公布了更多的恒星繞行的觀測結(jié)果。這些結(jié)果表明位于銀河系中心的天體很大可能是黑洞，因為沒有其他已知的天體能在這么小的區(qū)域聚集這么大的質(zhì)量。該研究以及其它關(guān)于 Sgr A* 的研究，成為了 " 銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的最有力的證明 "。根澤爾和蓋茲因此榮獲了 2020 年的諾貝爾物理學獎。

根據(jù)美國甚大陣（VLA）數(shù)據(jù)獲得的銀河系中心附近射電圖像。版權(quán)／NRAO

到此處，銀河系中心天體的探索方向變得前所未有之清晰，即需給它拍照，" 看 " 它究竟是不是黑洞。給黑洞拍照需要極高的分辨率，對望遠鏡而言，波長越短，口徑越大，分辨率也就越高。理論上只有使用短于 2 毫米波長的、口徑達地球直徑大小的望遠鏡，才具有給黑洞拍照的本領(lǐng)。于是，天文學家把目光瞄準了甚長基線干涉（VLBI）技術(shù)，它可以將射電望遠鏡組合成口徑等效于基線長度（望遠鏡間距離）的超大望遠鏡。于是，用毫米波 VLBI 成像技術(shù)給黑洞拍照，開始了它的孕育。

觀測設(shè)備籌備：數(shù)十年的 " 懷孕 " 自上世紀 70 年代探測到 Sgr A* 以來，人們對他的 VLBI 高分辨率探索一步也沒有停歇。由于對銀心的觀測受到星際散射的強烈影響，人們很快便意識到只有在（亞）毫米波段，VLBI 技術(shù)才能夠?qū)?Sgr A* 一探究竟。隨著觀測研究的進步，天文學家早在 20 多年前就指出毫米波 VLBI 技術(shù)極有可能會實現(xiàn)給銀心黑洞陰影拍照的宏偉目標。這些早期的大量研究探索和經(jīng)驗積累也正是 EHT 合作形成的重要 " 推手 "。

事實上，由于技術(shù)和觀測條件的限制，短毫米波 VLBI 成像一直比較困難。1993 年，Krichbaum 等人首次實現(xiàn)了在 7 毫米波段對 Sgr A* 的成像，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。Rogers 等人于 1994 年首次在 3 毫米探測到 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，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)。

結(jié)合大型紅外望遠鏡的觀測結(jié)果科學家們所繪制的銀河系中心黑洞周圍恒星運動的軌道。來源／MPE

然而，受限于毫米波望遠鏡的數(shù)目，一直未能實現(xiàn)真正的 1 毫米 VLBI 成像。Krichbaum 等人于 1998 年首次在位于法國和西班牙的兩個 IR AM 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 等人于 2008 年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限定比一個圓高斯更復雜的模型。Fish 等人于 2011 年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 等人于 2015 年發(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 等人于 2016 年發(fā)現(xiàn) Sgr A* 在 1 毫米的輻射結(jié)構(gòu)具有不對稱性。在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，路如森等人于 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結(jié)構(gòu)模型來解釋。通過考慮較此稍復雜的結(jié)構(gòu)，他們發(fā)現(xiàn)在總體約為 50 微角秒大小的尺度上存在中間暗、周圍亮的亞結(jié)構(gòu)，其中與觀測數(shù)據(jù)最符合的新月狀結(jié)構(gòu)，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。

經(jīng)多方漫長的籌備，2017 年，工作波長在 1.3 毫米的 EHT，利用遍布全球的 8 臺望遠鏡實現(xiàn)了等效地球口徑的觀測，終于夠到了給黑洞拍照的門檻。2017 年 4 月 5 至 11 日，在老天眷顧下，天氣晴好，EHT 順利觀測到首批珍貴數(shù)據(jù)。自得到觀測數(shù)據(jù)的那天起，無數(shù)人翹首以盼著 Sgr A* 照片的誕生。

美國甚長基線陣（VLBA）在不同波段對射電源 Sgr A* 進行的成像。來源／魯國鏞

/ 數(shù)據(jù)處理：5 年的 " 接生 "

類比一下神話故事中以誕生困難聞名的哪吒，懷孕 3 年，生下來是一個球，被其父劈開后才成了人形。Sgr A* 的照片也一樣，生下來是一堆數(shù)據(jù)，研究人員處理了 5 年，才從數(shù)據(jù)重建出了照片。我們姑且就管這個過程叫 " 接生 " 吧。

這個過程大體可以劃分為兩步：數(shù)據(jù)預處理和從數(shù)據(jù)重建圖像。數(shù)據(jù)預處理的目的是將望遠鏡采集的海量原始數(shù)據(jù)，萃取為臺站相關(guān)的物理量（" 互相關(guān) " 處理），作為后續(xù)重建圖像的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)有幾個 PB（1PB=1024TB，1TB=1024GB）, 在望遠鏡接收后被記錄和存儲在硬盤里。如果用這些硬盤存儲電影的話，可以存儲幾百萬部電影，連續(xù)播放幾百年才能播完。這些硬盤從望遠鏡本地被飛機和輪船運往位于美國和德國的數(shù)據(jù)互相關(guān)處理中心，存放在專門的房間里，擺滿了一整面墻。預處理完再進行數(shù)據(jù)的進一步校準處理（" 相關(guān)后 " 處理），之后的數(shù)據(jù)就只有幾個 GB 了，可以輕松地用互聯(lián)網(wǎng)傳輸。

后一步，從數(shù)據(jù)重建圖像，才是 Sgr A* 數(shù)據(jù)分析的最大難點。同樣在 2017 年觀測的 M87 星系中心黑洞 M87*，早在 2019 年就發(fā)布了照片。Sgr A* 成像結(jié)果晚了 3 年才發(fā)表是因為 EHT 研究人員預見到了 Sgr A* 圖像重建會比 M87* 困難很多，因此在人力有限的情況下，優(yōu)先處理簡單的那個。困難主要出于兩個原因：第一，Sgr A* 的質(zhì)量比 M87* 小 1600 倍，這意味著黑洞附近的物質(zhì)繞它一圈所花的時間會很短。對 M87* 而言這一時標是近 1 個月，而對 Sgr A* 而言是大約幾分鐘。在目前成像所需的一天內(nèi)數(shù)小時的觀測時長內(nèi)，M87* 可以認為沒變，但是 Sgr A* 一直在變。第二，地球和 Sgr A* 都處在銀河系里，二者之間不是真空的，而是充滿了大量的星際介質(zhì)，這些介質(zhì)會影響光線的傳播，對圖像造成干擾和破壞。這兩個因素疊加在一起是個什么效果呢？

Sgr A* 在 3 毫米的 CLEAN 圖像 , 左右兩圖分別對應(yīng)使用橢圓和圓狀潔束重建的圖像。來源／沈志強

打個通俗的比方，相當于拿手機給正在旋轉(zhuǎn)的煙花拍照，每次拍出來的圖案效果都不一樣。雪上加霜的是，拍照的手機還不帶防抖功能。針對 Sgr A* 的特殊情況，需要開發(fā)全新的 VLBI 圖像重建方法和工具。研究人員利用與觀測數(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。這一過程的實現(xiàn)依賴大量的枯燥的測試工作。研究人員依據(jù)不同的成像方法被分成不同的小組，然后每個人測試不同的參數(shù)集，通過迭代，不斷尋找最優(yōu)參數(shù)。為確保結(jié)果可靠，類似測試進行了很多輪。據(jù)參加 CLEAN 工作組的上海天文臺江悟副研究員說，他們誰也沒想到這個過程會如此反復、困難，中途有人感到無望而退出，也有人一直在堅持。

利用辛苦得到的最優(yōu)參數(shù)集，研究人員發(fā)現(xiàn)所得到圖像中的絕大多數(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。這說明 EHT2017 的觀測數(shù)據(jù)，對圖像結(jié)構(gòu)劇烈變化的 Sgr A* 限制有限。M87* 的圖像并沒有這樣的多樣性，重建圖像的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中明亮的部分具有一致性，揭示了那部分氣體在向著我們運動，因多普勒效應(yīng)而增亮。而 SgrA* 多樣的形態(tài)使得它最終的平均圖像上顯示出三個亮斑。這些亮斑有可能是真實的，但也有可能是處理過程帶來的，為了弄清這點，未來我們需要捕捉 Sgr A* 動態(tài)圖像，即給它拍攝電影。

/ 未來的 " 黑洞小視頻 "

EHT 作為目前唯一能夠給黑洞拍照的望遠鏡陣列，處在不斷的發(fā)展中。首先在 2017 年的觀測中，共有位于全球 6 地的 8 個天文臺參與其中。在 2018 年的觀測中，有一個新的望遠鏡順利加入了觀測，即共有全球 7 地的 9 個天文臺參與觀測。令人興奮的是，在 2021 和 2022 的觀測中，又有另外兩個望遠鏡加入了觀測。目前，還有一些待加入的望遠鏡正在建設(shè)之中。

其次，EHT 將嘗試在更短的波長上進行觀測，以進一步提高分辨率。從 2023 年開始，EHT 將進行 0.87 毫米波段的觀測，與 2017 年的觀測相比，分辨率可提升近 50%。目前，2021 和 2022 的 EHT 觀測已對 0.87 毫米進行了測試。未來，EHT 還將從地面觀測將拓展到空間甚至月球，這將會組成一個遠超地球尺度大小的超級望遠鏡。

未來最受矚目的將是給 Sgr A* 拍攝 " 黑洞小視頻 "，人們很想看到黑洞吞噬周圍物質(zhì)的動態(tài)過程。要拍到它，需要全球 24 小時接力觀測，而現(xiàn)在 EHT 的臺站主要分布在西半球，東半球則很 " 空 "。事實上，我國具備全球最合適開展亞毫米波觀測的可能站址——我國西部高原的天氣足夠干燥。我國學者正在大力推動建設(shè)中國自主的口徑 15 米級的亞毫米波望遠鏡，這將對未來拍攝黑洞連續(xù)動畫起到很關(guān)鍵的作用。

不同觀測設(shè)備揭示銀心從遠到近的風景。來源／ESA