首张银河系中心黑洞照片公布，科学家们从中得到了哪些信息？

GGV有话说：

三年前，2019年4月10日，事件视界望远镜（EHT）向全世界公布了位于巨椭圆星系M87中心的黑洞（M87*）照片，这是人类拍摄到的第一张黑洞照片，也是当年最令人震撼的科学新闻之一。自然，银河系中心的超大质量黑洞人马座A*（Sgr A*）也没有被忽视，它也在EHT的观测列表上。

三年之期已到，繁重的数据处理之后，EHT终于在今晚公布了银河系中心黑洞的照片。

今天的GGView，就让我们一起走近神秘黑洞。

文章来源：“环球科学” （id：huanqiukexue）

编译｜王昱

在很长一段时间里，直接观测黑洞困难重重。

一个显著的问题是，黑洞对于地球上的观测者而言实在太小了。现在天文学家认为，绝大多数星系的中心都存在超大质量黑洞，这些黑洞的质量可达数百万甚至数十亿倍太阳质量，有些黑洞的直径甚至超过我们的太阳系，而即使是它们，由于距离地球非常遥远，在天空中占据的角尺度也极小。距离最近的超大质量黑洞是人马座A*，位于银河系的中心，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。要想分辨角尺度这样小的天体，我们需要一架分辨能力比哈勃空间望远镜还要高2000倍的望远镜。

其次，只有很小一部分黑洞周围拥有大量气体可供吸积，因此能够被我们看到；银河系中的绝大多数黑洞迄今仍然未被发现。

不仅如此，我们到黑洞的视线还会因两种不同原因而被遮挡。首先，目标位于星系的正中心，在这里由气体和尘埃组成的稠密云团会封堵住大部分电磁波段。其次，我们想要探测的发光物体是由旋转着落向视界的高度压缩物质组成的灼热漩涡，这些物质本身对大部分波长的电磁辐射也是不透明的。因此，只有极狭窄的波长范围内的辐射，能够从黑洞边缘逃离，被地球上的观测者看到。

不过，在直接拍下疑似黑洞的直接影像之前，天文学家已经开发出多种技术，揭露了紧紧围绕疑似黑洞旋转的物质的种种性质及行为方式。

比方说，通过观察附近恒星的运行方式，天文学家就能称量出一个超大质量黑洞的重量，就像利用行星的轨道来给太阳称重一样。在遥远的星系里，超大质量黑洞附近的单个恒星无法分辨，但那些恒星的光谱能够揭示它们的速度分布，从而得出这个黑洞的质量。

天文学家还在黑洞附近发出的辐射随时间变化的模式当中，寻找广义相对论留下的记号。比如说，一些恒星质量的黑洞发出的X射线辐射，在亮度上会发生准周期变化，这一变化周期又与黑洞吸积盘最内侧附近理论预计的轨道周期十分接近。

在此之前，探测超大质量黑洞最富有成效的方法，是观测吸积盘表面铁原子发出的荧光。吸积盘携带着铁原子快速转动，再加上黑洞本身强大引力的作用，会使铁原子荧光的特征波长发生偏移，并扩散到某个波段范围。在快速自转的黑洞附近，吸积盘本身围绕黑洞旋转的速度会加快，因此这种辐射会展现出一种不对称性，从而泄露天机。

日本的“宇宙学及天体物理学高新卫星”（ASCA）和“朱雀”（Suzaku）X射线天文卫星已经观测到了这样的辐射，天文学家把这些观测解读为高速自转黑洞的直接证据，那些吸积盘中的轨道速度高达光速的1/3。

图中数值模拟结果显示，落向黑洞的物质应会产生能用来验证爱因斯坦引力理论的现象。

事件视界望远镜

而要直接观测到黑洞，我们必须寻求口径更大的射电望远镜。事件视界望远镜（event horizon telescope，EHT）项目的目标正是通过国际合作来克服这些困难，对黑洞进行细致的观测。为了实现在地球表面观测所能达到的最高角分辨率，EHT采用了一项被称为“甚长基线干涉测量”（VLBI）的技术——天文学家利用位于地球不同位置的射电望远镜同时对同一目标进行观测，将采集到的数据分别记录在硬盘上，之后再将这些硬盘物理运输到一起，利用超级计算机整合这些数据，得到一张图像。通过这项技术，分布在地球上不同大洲的许多望远镜组成了一架虚拟的、地球尺寸的望远镜。而望远镜的分辨能力由观测波长与望远镜尺寸的比值决定，所以VLBI通常可以在射电波段对天空进行高分辨率成像观测，分辨能力远超所有光学望远镜。

这次观测银河系中心黑洞的事件视界望远镜由8个射电望远镜或阵列组成，它们分别是：南极望远镜（SPT）、智利的阿塔卡马大型毫米波阵（ALMA）、智利的阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）、墨西哥的大型毫米波望远镜（LMT）、美国亚利桑那州的亚毫米望远镜（SMT）、美国夏威夷的亚毫米望远镜（SMA）、美国夏威夷的麦克斯韦望远镜（JCMT），以及西班牙射电天文台的30米口径毫米波望远镜（IRAM）。

8架射电望远镜或干涉阵参与了此次观测。（图中IRAM布雷高原干涉仪未参与此次观测）每架望远镜都位于高海拔处，以保证地球大气对信号的吸收降到最低。利用全球范围的设备以及在毫米波段进行观测，该天线阵的有效角分辨率将达到数百万分之一角秒——足以看清月球上一张DVD。

8架射电望远镜或干涉阵参与了对M87*的观测。（IRAM布雷高原干涉仪未参）每架望远镜都位于高海拔处，以保证地球大气对信号的吸收降到最低。利用全球范围的设备以及在毫米波段进行观测，该天线阵的有效角分辨率将达到数百万分之一角秒——足以看清月球上一张DVD。

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”到人马座A*剪影的3/4。所以它成为了人类观测的第一个目标。

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。

第一张黑洞照片，5500万光年外的梅西耶87*（M87*）。图片来源：Event Horizon Telescope Collaboration

除了2019年公布的黑洞照片，M87*还有一张著名的照片，是由哈勃拍摄的它的极端相对论性喷流。不少靠近黑洞的物质都会被它吸入，但也有一部分在这个过程中，被加速到极端相对论性速度，最终形成了这个在宇宙中绵延了5000光年的喷流。

M87*绵延了5000光年的喷流图片来源：NASA and The Hubble Heritage Team

而银河系中心的黑洞距离我们仅有24 000光年，它是天空中所有已知黑洞里剪影最大的一个。一个10倍太阳质量的黑洞，距离我们必须比最靠近太阳的恒星还近100倍时，看起来才会跟人马座A*一样大。尽管宇宙中还存在着比人马座A*更大的超大质量黑洞，但它们都远在几百万光年以外。

而刚刚，全球七地（德国加兴、墨西哥墨西哥城、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿）公布了人马座A*的照片。我们终于得到了银河系中心，天空中剪影最大的黑洞的照片。

银河系中心黑洞Sgr A*的照片。图片来源：Event Horizon Telescope Collaboration

额外的成果

在获得这两张照片间的三年里，天文学家也得出了不少其他成果。

2020年9月，一项发表在《天体物理学杂志》上的研究构建了一种新的数学模型，利用早期几次收集的分辨率较低的黑洞数据重建了2009年~2017年的黑洞演变过程，构建出了黑洞电影画面。由于黑洞周围的复杂动力学，黑洞吸积盘的物质会高速旋转，并在多普勒效应之下在观察者的视野中产生亮度差异。尽管M87*本身没有变化，但这些物质运动造成的周围环境变化可以让黑洞环产生亮度改变。研究分析确认了早于2017年的黑洞数据同样能显示黑洞环有一侧亮，一侧暗，并通过组合几次数据，展示了黑洞的动态过程。

图片来源：Event Horizon Telescope Collaboration/Nautre

去年3月，EHT又升级了原先观测到的黑洞照片，经过多年数据处理，他们给原先的黑洞照片加上了偏振数据

。这意味着人类首次触碰到了黑洞视界上的极端磁场，为探索极端相对论性喷流的来源提供了可靠的证据。

偏振光下M87超大质量黑洞的图像，图中线条标记了偏振的方向（图片来源：EHT collaboration）

不过，如此精细的结构并不意味着我们能观测到如此细致的结构。

那么，这张照片究竟反映了哪些信息？光是一种电磁波，而电磁波又是横波，即振动方向和波传播方向垂直的波。而偏振就是横波的一种状态，表示横波中的振动方向都只朝向一个方向。大多数手机、电脑屏幕发出的光都是偏振光。拿一个偏振片在屏幕前旋转，你可能看到偏振片一会儿透光，一会儿不透光；或者是透过偏振片光的颜色发生诡异的变化。目前大多数屏幕的制造工艺决定，它们发出的光大多都是偏振光。

大多数手机、电脑屏幕发出的光都是偏振光

天文中很多现象都会产生偏振光。对于黑洞吸积盘，它在射电波段产生辐射主要来自以相对论性速度运动的电子在磁场中运动发出的光，被称为同步加速辐射。这种辐射具有明显的偏振特征，同时也包含黑洞周边的磁场信息。天文学家从2019公布黑洞照片后就一直在处理偏振图像数据。起初，它们以为黑洞周围只有1%~3%的光是偏振的。随着数据处理的进行，科学家发现其实10%~20%的光偏振的。因为初步处理对所有数据进行平均时，不同方向的偏振会互相抵消，分辨率较高是EHT能观测到黑洞偏振图像的重要原因之一。而天文学家这次拍摄到的黑洞偏振图像，用动画可以这样展示。