5 月 12 日，多国合作的事件视界望远镜（EHT）组织发布了银河系中心超大质量黑洞人马座 A* （Sgr A*）的首张照片。这是 EHT 继 2019 年发布首张黑洞照片（M87*）后的又一重大突破。该图像采用甚长基线干涉测量（VLBI），使用来自全球 8 个射电望远镜网络观测结果生成。十篇相关论文和报告均于近日发表在《天体物理学杂志快报》（ApJ Letters）。
EHT 对 M87* 与 Sgr A* 的观测都进行于 2017 年，但由于技术难度的差异，研究者用了 5 年时间才得到了 Sgr A* 的首张照片，这个位于我们自己星系中心的超大质量黑洞，“亮相”时间比 M87* 晚了 3 年。
银河系中心黑洞Sgr A*的照片。图片来源：Event Horizon Telescope Collaboration
给黑洞“拍照”
人马座 A*（Sgr A*）是一个位于银河系中央，离我们约 26 000 光年，距离地球最近的超大质量黑洞。根据理论的预测，在观测黑洞时，我们会看到一个阴影，被明亮的光芒环绕。阴影之内隐藏着黑洞真正的边界，即事件视界（event horizon），包括光线在内的任何物质一旦跨过边界，就无法从黑洞强大的引力场中逃脱。
虽然我们无法直接观测到来自事件视界的电磁波，但黑洞周围吸积的大量高热物质所发出的电磁波，也能成为天文学家研究黑洞的重要线索。在 20 世纪 90 年代，科学家已经在 3.5 毫米（mm）波长对 Sgr A* 进行了观测，但是效果并不理想。因此从上世纪 90 年代末开始，EHT 发起者和首任主管、美国哈佛大学资深研究员谢泼德·多尔曼（Sheperd Doeleman）和同事希望将观测目标转向波长 1.3 mm 的波，他说这是为了把握“宇宙级的巧合”。他解释，这样的亚毫米波由紧邻黑洞边缘的炽热气体发出，既不容易被这些炽热的气体散射，也不容易被银河系中较冷的气体散射，因而能够一路穿过广袤的宇宙抵达地球，被高海拔地区的望远镜捕获。
望远镜的分辨率取决于观测波长和望远镜口径的比值。一台望远镜的观测波长越短，图像分辨率就越高。多尔曼团队利用设在美国夏威夷、亚利桑那州和加利福尼亚州的多台射电望远镜同时对同一目标进行观测，然后将数据汇总处理，这相当于得到了一台超大型望远镜。这是射电天文学中常用的观测手段，称为甚长基线干涉技术（VLBI）。
但是，改变观测波长意味着需要对设备进行重大改进。多尔曼说：“对于 1.3 mm 波长，望远镜上原有的探测器的灵敏度不如 3.5 mm 波长那么理想，因此我们需要开发一套全新的 VLBI 设备，以便用更快的速度、更大的带宽进行记录。”相关的电子设备和原子钟也需要进行升级。而且，项目中的一些望远镜此前不支持 VLBI 技术，研究团队需要到观测点安装相应的设备。
这一切努力在当时完全是一场冒险。多尔曼回忆：“在 20 世纪 90 年代，利用位于西班牙和法国的望远镜在 1.3 mm 波长得到的测量结果中，阴影的特征非常不清晰，无法生成图像，也无法测量它的大小......当时我们都不清楚 EHT 项目是否可行。有人怀疑不值得朝这个方向继续努力，但也有人觉得我们应该再次尝试，看看能不能得到更精确的观测结果。”
到 2008 年，多尔曼团队终于完成了对 Sgr A* 阴影的观测，结果完全符合理论预测。“当我第一次看到来自 Sgr A* 的信号，我久久地盯着计算机屏幕，不敢相信自己看到了什么，”多尔曼回忆，“那是一个奇妙的发现时刻，我希望所有的科学家都能体验。”
直到这一刻，科学界才确信：对黑洞拍照完全可行。
一张“拍了 5 年”的照片
可行性得到验证之后，EHT 项目迅速走上正轨。2017 年 3-5 月，8 台分别位于南极洲、智利（2 台）、墨西哥、美国亚利桑那州、美国夏威夷群岛（2 台）和西班牙的射电望远镜或阵列组成了一架虚拟的、地球尺寸的望远镜，对准了 Sgr A* 和另一个超大质量黑洞——位于室女座超巨椭圆星系 M87 中央的 M87*。
M87* 距离地球 5500 万光年。2009 年 6 月，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的卡尔·格布哈特（Karl Gebhardt）和德国加尔兴马普地外物理研究所的延斯·托马斯（Jens Thomas）合作，测定出这个黑洞的质量相当于 64 亿颗太阳——足以使它剪影的直径“膨胀”到 Sgr A* 剪影的 3/4。所以它成为了人类观测的第一个目标。
两年后的 2019 年 4 月 10 日，EHT 在全球六地（比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）同步召开全球新闻发布会，发布了 M87* 的照片，这也是人类首张黑洞照片。
然而，距离我们最近的 Sgr A* 却迟迟不愿“显露真容”。这个银河系中心黑洞，质量大约相当于 400 万个太阳。它的视界在天空中的张角只有 50 微角秒，大约相当于月球上的一张 DVD。由于 Sgr A* 比 M87* 黑洞小约千倍，因此周围气体运行速度更高，轨道周期仅为几分钟（M87* 气体轨道周期为数天），导致成像相比 M78* 更加困难。
在这次公布的最新图像，是 ETH 通过将数千张使用不同成像方法得到的图像叠加生成的代表性图像。这一成果为与黑洞和星系重要环境相关的进一步研究提供了有价值的线索，可帮助了解极端环境下的引力和其他物理学、黑洞与周围环境的相互作用。
下一个目标：黑洞小视频
下一代 EHT（ngEHT）计划已经于 2019 年 9 月宣布启动。多尔曼希望，在 VLBI 阵列中加入约 10 台口径 6 米或 8 米的望远镜，对 1.3 mm 到 0.87 mm 波段进行同步观测，目标是在 2030 年之前得到第一个黑洞视频。
谈及望远镜的选址，多尔曼说：“我们希望把它们安装在高海拔地区，因为（靠近地表的）水蒸气会吸收一部分来自黑洞的射电信号。我们还希望新加入的望远镜离现有的望远镜远一些，以更好地填补数据空缺。我们还希望当地已经具备一些资源和基础设施，包括供水、供电和交通。”由于西藏、青海、新疆等省份拥有较好的观测条件，目前中国也在考虑在这些地区建立自己的观测设备。
多尔曼认为，我们正处在一个黑洞大发现新时代的开端。EHT 已经和美国激光干涉引力波天文台（LIGO）、欧洲处女座引力波探测器（Virgo）开展合作，对相对论进行更加细致的检验，更全面地揭露宇宙的真相。LIGO 和 Virgo 能够探测黑洞合并时发出的引力波信号，这些黑洞的质量只有太阳的几十倍，被认为是大型恒星坍缩的产物；相比之下，EHT 观测的目标质量能达到太阳的数百万甚至数十亿倍。这些差异巨大的黑洞将让科学家能够在更广的范围内检验物理学理论。多尔曼说：“广义相对论的适用范围似乎跨越了十个亿的数量级，我觉得这点非常有趣。”
在更远的未来，黑洞观测还将走进太空。由于 VLBI 网络的等效口径取决于望远镜之间的最大距离，而如今的 EHT 观测网络已经遍及地表，那么要想得到比地球尺寸更大的望远镜，就需要将新的望远镜发射到太空。并且由于太空中没有大气层的阻碍，空间望远镜可以对更短的波长进行观测，从而实现更高的分辨率。包括 EHT 在内的许多团队已经开始进行模拟计算，探讨如何实施这一设想。
而且，通过在太空中建设观测装置从而得到精度上的提高的不只是 EHT 等电磁波探测项目，引力波探测也一样。全球已经有多个项目计划在地球轨道甚至绕日轨道上建设由多个卫星，来组成超高精度的激光干涉引力波探测器，例如欧洲航天局（ESA）的激光干涉空间天线（LISA）任务、日本的分赫兹干涉引力波天文台（DECIGO），以及中国的天琴计划和太极计划。这些计划多已完成项目规划和卫星技术验证，将在未来 10-15 年开展观测，为科学家带来关于黑洞，尤其是形成于宇宙诞生时期的原初黑洞的更多信息。
如果物理学继续往前推进，我们还将来到一个更加陌生的领域，例如黑洞的量子性质。“换言之，黑洞内部发生了什么？信息经过事件视界的时候会发生什么？这些都是非常深刻的问题，科学家正在进行这方面的理论研究，”多尔曼说。这条道路或许将通往物理学的圣杯——广义相对论和量子力学的统一，那是爱因斯坦和霍金都未能解决的问题。
这类大科学项目的溢出效应也非常值得期待，历史上最有名的案例便是万维网的诞生：蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）最初只想让欧洲核子研究中心（CERN）的各个实验室之间能够更高效地交流信息，最终却改变了世界。如今，随着各领域数据量和计算机算力的高速发展，普通的互联网已经难以满足一些大科学项目的需求，伯纳斯-李的故事可能还将再次上演。制作首张黑洞照片所需的观测数据非常多，如果使用网络传输，要花费数年时间才能传输完毕，因此 EHT 团队选择通过快递的方式，将装满数据的硬盘从世界各地寄到处理中心。将来随着观测波段的扩展和望远镜数量的增加，需要处理的数据还会越来越多。多尔曼说：“未来我们可能会使用高速互联网，或者卫星激光链路，把数据即时传送到一个中央处理设施。”他们也在考虑使用现有的商用云存储服务，在云端组装成一台巨大的虚拟超级计算机，从而更高效地分析和处理数据。
来源：
1.《环球科学》2020 年第 2 期《黑洞照片之后：EHT的下一步》
2. “环球科学”公众号：刚刚，首张银河系中心黑洞照片公布！
https://mp.weixin.qq.com/s/l2jCR66v-WJFIpiIl6evPA
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