北京時間2022年5月12日晚21:00，在包括上海在內(nèi)的全球各地同時召開的新聞發(fā)布會上，天文學(xué)家向人們展示了來自于EHT的關(guān)于銀河系中心的一項突破性成果——首次拍攝到銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞照片！
銀河系中心黑洞的首張照片 | Event Horizon Telescope Collaboration
EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡）
事件視界望遠(yuǎn)鏡（英語：Event Horizon Telescope， EHT）是一個以觀測星系中央特大質(zhì)量黑洞為主要目標(biāo)的計劃。該計劃以甚長基線干涉技術(shù)（VLBI）結(jié)合世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡，使許多相隔數(shù)十萬公里的獨立天線能互相協(xié)調(diào)、同時觀測同一目標(biāo)并記錄下數(shù)據(jù)，形成一口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，將望遠(yuǎn)鏡的角分辨率提升至足以觀測事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。EHT期望借此檢驗愛因斯坦廣義相對論在黑洞附近的強(qiáng)重力場下是否會產(chǎn)生偏差、研究黑洞的吸積盤及噴流、探討事件視界存在與否，并發(fā)展基本黑洞物理學(xué)。
今天發(fā)布的黑洞照片與三年前的M87星系黑洞照片長得一樣嗎？
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M87星系中心超大質(zhì)量黑洞（M87*）的圖像 | Event Horizon Telescope Collaboration
三年前發(fā)布的這張圖像的意義非同一般，它提供了黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)，使得在強(qiáng)引力場下驗證愛因斯坦廣義相對論，細(xì)致研究黑洞附近的物質(zhì)吸積與相對論性噴流成為可能。
其實，北京時間2021年3月24日晚，EHT向全球發(fā)布過M87黑洞的第二張寫真。中國科學(xué)院上海天文臺牽頭組織協(xié)調(diào)，包括8位臺內(nèi)研究人員在內(nèi)的國內(nèi)學(xué)者參與了這次的EHT合作。
偏振光下超大質(zhì)量黑洞M87*的圖像 | Event Horizon Telescope Collaboration
前兩次發(fā)布的時間雖然相隔了兩年，但其實它們來自于同一批成像觀測。不同之處在于，這張“照片”是通過處理偏振信號獲得的，所以我們稱之為“黑洞在偏振光下的影像”。這也是天文學(xué)家第一次在如此接近黑洞邊緣處測得表征磁場特征的偏振信息。
今天發(fā)布的這項成果有著怎樣重大意義？
這一成果給出了該天體就是黑洞的實證，為理解這種被認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線索。
這意味著人類在觀測設(shè)備、觀測技巧、數(shù)據(jù)處理能力等多方面有了一次系統(tǒng)化的飛躍。同時，這次發(fā)布的觀測成果進(jìn)一步提升了對愛因斯坦廣義相對論的檢驗。也就是說，我們對“時空如何彎曲，物質(zhì)如何運動”的了解又能夠更進(jìn)一步了。
早在1931年，央斯基就收到了來自銀心方向的無線電信號，1974年天文學(xué)家布魯斯·巴里克（Bruce Balick）和羅伯特·布朗（Robert Brown）最先使用長基線干涉的方式確認(rèn)了銀河系中心的射電源，布朗在后來1982年的一篇論文中給了它一個編號Sgr A*（人馬座A*）。
為什么時隔三年才發(fā)布？
超長的“印照片”時間主要是由于要做復(fù)雜的“后期處理”以及進(jìn)行“補拍”。
EHT拍攝 Sgr A* 的工作在2017年4月正式開始。這項拍攝任務(wù)需要為所有參與的觀測站湊出聯(lián)合觀測的時間，全年不過10天。雖然，大家基本上都按計劃完成了觀測任務(wù)，但是接下去面對的就是海量數(shù)據(jù)。
2017年4月份參加EHT觀測的8個VLBI臺站，實線連接的為觀測M87的5個地點（7個臺站；由于位置限制，位于南極的SPT望遠(yuǎn)鏡無法觀測到M87），虛線連接的為觀測一個校準(zhǔn)源（3C279）的臺站。| 上海天文臺
為了增加探測靈敏度，EHT所記錄的數(shù)據(jù)量非常龐大。以三年前發(fā)布的首張黑洞照片為例，在2017年4月份的觀測中，8個臺站在5天觀測期間共記錄就大約有3500TB數(shù)據(jù)（假如用家用1T容量的移動硬盤來儲存這些數(shù)據(jù)，移動硬盤的高度疊加在一起有15層樓的高度！而這還只是5天的數(shù)據(jù)量）。EHT采用專用硬盤來記錄數(shù)據(jù)，再把它們送回數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。研究人員在數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)做完一系列復(fù)雜的校正和處理后，再通過對這些數(shù)據(jù)經(jīng)過近兩年時間的后期處理和分析，才有了我們看到的人類首張黑洞圖像。而今天發(fā)布的這張圖像，研究團(tuán)隊花了五年時間，用超級計算機(jī)合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對。
EHT合作團(tuán)隊將從Sgr A*的2017年EHT觀測數(shù)據(jù)中提取的諸多照片組合制作成一張銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*的最終照片。| Event Horizon Telescope Collaboration
飛向銀河系中心黑洞 | ESO/MPE/NickRisinger (skysurvey.org)/VISTA/J. Emerson/Digitized Sky
提到“補拍”，就不得不講到給黑洞“拍照”的兩個主要的難點了。一是星系中心附近有大量氣體塵埃等干擾射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察。銀心黑洞的質(zhì)量大約是太陽的400萬倍，距離地球只有26000光年，從宇宙的角度來看非常近。相比之下，M87* 的質(zhì)量大約是地球的65億倍，距離地球約5500萬光年。然而由于宇宙星系塵埃的干擾，Sgr A*的成像比 M87*困難得多。黑洞周圍的氣體均以幾乎接近光速繞著Sgr A*和M87*高速旋轉(zhuǎn)。這意味著在EHT觀測Sgr A*之時，有點像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。二是視界范圍非常小。銀心黑洞的視界范圍只有1200萬公里，從地球看，它的視直徑（張開的角度）只有50個微角秒（10^-6角秒，1角秒=1/3600度）。這是個什么概念呢？就好比在上海看北京的一根頭發(fā)絲。而M87星系質(zhì)量更大，中心黑洞質(zhì)量也更大，是銀心黑洞的1500多倍，視界范圍是銀心黑洞的3000倍，因此即便它距離上遠(yuǎn)了2000倍，但兩個黑洞看起來格外相似。
中國天文在此項目中承擔(dān)的工作？
中國天文科學(xué)家參與了前期觀測技術(shù)的預(yù)研，對黑洞大小、拍攝圖片分辨率極限等研究推測，以及對大量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行VLBI數(shù)據(jù)處理。
VLBI測軌分系統(tǒng)示意圖 | 上海天文臺
VLBI測軌分系統(tǒng)
VLBI測軌分系統(tǒng)由北京站、上海站、昆明站和烏魯木齊站以及位于上海天文臺的VLBI數(shù)據(jù)處理中心（VLBI中心）組成。這樣一個網(wǎng)所構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡分辨率相當(dāng)于口徑為3000多千米的巨大的綜合口徑射電望遠(yuǎn)鏡，測角精度可以達(dá)到百分之幾角秒。
25米射電望遠(yuǎn)鏡 | 上海天文臺
2021年4月14日，來自19臺望遠(yuǎn)鏡（陣）的數(shù)據(jù)公開發(fā)布。天馬射電望遠(yuǎn)鏡參與了其中2017年5月9日的歐洲VLBI網(wǎng)（EVN）170mm觀測，并貢獻(xiàn)了最高分辨率基線。同時，作為東亞地區(qū)靈敏度最高的長毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，天馬望遠(yuǎn)鏡全程參與2017年3月至5月期間東亞VLBI網(wǎng)（EAVN）在13mm和7mm對M87共14次EHT協(xié)同觀測。這是國內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡在7mm工作波長首次成功參加國際VLBI聯(lián)合觀測。
M87的多波段觀測結(jié)果，天馬射電望遠(yuǎn)鏡參加其中EVN的170mm和EAVN的13mm及7mm觀測。 | Event Horizon Telescope Collaboration
EHT關(guān)于未來的計劃？
EHT并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(yuǎn)鏡參與的聯(lián)合觀測。EHT的持續(xù)擴(kuò)展和技術(shù)革新將使得科學(xué)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”。“拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的'電影’，是下一代EHT的追求?！眮碜陨虾Ｌ煳呐_的EHT合作國內(nèi)協(xié)調(diào)人沈志強(qiáng)說?！拔覀冋谝?guī)劃建設(shè)中國的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡，以期參與到對Sgr A*的24小時不間斷的接力觀測中?！?/span>
地球是人類的搖籃，但人類決不會永遠(yuǎn)躺在搖籃里。
—— 齊奧爾科夫斯基（1857.9.17～1935.9.19）
