5 月 12 日，多國合作的事件視界望遠鏡（EHT）組織發(fā)布了銀河系中心超大質量黑洞人馬座 A* （Sgr A*）的首張照片。這是 EHT 繼 2019 年發(fā)布首張黑洞照片（M87*）后的又一重大突破。該圖像采用甚長基線干涉測量（VLBI），使用來自全球 8 個射電望遠鏡網絡觀測結果生成。十篇相關論文和報告均于近日發(fā)表在《天體物理學雜志快報》（ApJ Letters）。
EHT 對 M87* 與 Sgr A* 的觀測都進行于 2017 年，但由于技術難度的差異，研究者用了 5 年時間才得到了 Sgr A* 的首張照片，這個位于我們自己星系中心的超大質量黑洞，“亮相”時間比 M87* 晚了 3 年。
銀河系中心黑洞Sgr A*的照片。圖片來源：Event Horizon Telescope Collaboration
給黑洞“拍照”
人馬座 A*（Sgr A*）是一個位于銀河系中央，離我們約 26 000 光年，距離地球最近的超大質量黑洞。根據理論的預測，在觀測黑洞時，我們會看到一個陰影，被明亮的光芒環(huán)繞。陰影之內隱藏著黑洞真正的邊界，即事件視界（event horizon），包括光線在內的任何物質一旦跨過邊界，就無法從黑洞強大的引力場中逃脫。
雖然我們無法直接觀測到來自事件視界的電磁波，但黑洞周圍吸積的大量高熱物質所發(fā)出的電磁波，也能成為天文學家研究黑洞的重要線索。在 20 世紀 90 年代，科學家已經在 3.5 毫米（mm）波長對 Sgr A* 進行了觀測，但是效果并不理想。因此從上世紀 90 年代末開始，EHT 發(fā)起者和首任主管、美國哈佛大學資深研究員謝潑德·多爾曼（Sheperd Doeleman）和同事希望將觀測目標轉向波長 1.3 mm 的波，他說這是為了把握“宇宙級的巧合”。他解釋，這樣的亞毫米波由緊鄰黑洞邊緣的熾熱氣體發(fā)出，既不容易被這些熾熱的氣體散射，也不容易被銀河系中較冷的氣體散射，因而能夠一路穿過廣袤的宇宙抵達地球，被高海拔地區(qū)的望遠鏡捕獲。
望遠鏡的分辨率取決于觀測波長和望遠鏡口徑的比值。一臺望遠鏡的觀測波長越短，圖像分辨率就越高。多爾曼團隊利用設在美國夏威夷、亞利桑那州和加利福尼亞州的多臺射電望遠鏡同時對同一目標進行觀測，然后將數據匯總處理，這相當于得到了一臺超大型望遠鏡。這是射電天文學中常用的觀測手段，稱為甚長基線干涉技術（VLBI）。
但是，改變觀測波長意味著需要對設備進行重大改進。多爾曼說：“對于 1.3 mm 波長，望遠鏡上原有的探測器的靈敏度不如 3.5 mm 波長那么理想，因此我們需要開發(fā)一套全新的 VLBI 設備，以便用更快的速度、更大的帶寬進行記錄?！毕嚓P的電子設備和原子鐘也需要進行升級。而且，項目中的一些望遠鏡此前不支持 VLBI 技術，研究團隊需要到觀測點安裝相應的設備。
這一切努力在當時完全是一場冒險。多爾曼回憶：“在 20 世紀 90 年代，利用位于西班牙和法國的望遠鏡在 1.3 mm 波長得到的測量結果中，陰影的特征非常不清晰，無法生成圖像，也無法測量它的大小......當時我們都不清楚 EHT 項目是否可行。有人懷疑不值得朝這個方向繼續(xù)努力，但也有人覺得我們應該再次嘗試，看看能不能得到更精確的觀測結果。”
到 2008 年，多爾曼團隊終于完成了對 Sgr A* 陰影的觀測，結果完全符合理論預測?！爱斘业谝淮慰吹絹碜?Sgr A* 的信號，我久久地盯著計算機屏幕，不敢相信自己看到了什么，”多爾曼回憶，“那是一個奇妙的發(fā)現時刻，我希望所有的科學家都能體驗?！?/span>
直到這一刻，科學界才確信：對黑洞拍照完全可行。
一張“拍了 5 年”的照片
可行性得到驗證之后，EHT 項目迅速走上正軌。2017 年 3-5 月，8 臺分別位于南極洲、智利（2 臺）、墨西哥、美國亞利桑那州、美國夏威夷群島（2 臺）和西班牙的射電望遠鏡或陣列組成了一架虛擬的、地球尺寸的望遠鏡，對準了 Sgr A* 和另一個超大質量黑洞——位于室女座超巨橢圓星系 M87 中央的 M87*。
M87* 距離地球 5500 萬光年。2009 年 6 月，美國得克薩斯大學奧斯汀分校的卡爾·格布哈特（Karl Gebhardt）和德國加爾興馬普地外物理研究所的延斯·托馬斯（Jens Thomas）合作，測定出這個黑洞的質量相當于 64 億顆太陽——足以使它剪影的直徑“膨脹”到 Sgr A* 剪影的 3/4。所以它成為了人類觀測的第一個目標。
兩年后的 2019 年 4 月 10 日，EHT 在全球六地（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓）同步召開全球新聞發(fā)布會，發(fā)布了 M87* 的照片，這也是人類首張黑洞照片。
然而，距離我們最近的 Sgr A* 卻遲遲不愿“顯露真容”。這個銀河系中心黑洞，質量大約相當于 400 萬個太陽。它的視界在天空中的張角只有 50 微角秒，大約相當于月球上的一張 DVD。由于 Sgr A* 比 M87* 黑洞小約千倍，因此周圍氣體運行速度更高，軌道周期僅為幾分鐘（M87* 氣體軌道周期為數天），導致成像相比 M78* 更加困難。
在這次公布的最新圖像，是 ETH 通過將數千張使用不同成像方法得到的圖像疊加生成的代表性圖像。這一成果為與黑洞和星系重要環(huán)境相關的進一步研究提供了有價值的線索，可幫助了解極端環(huán)境下的引力和其他物理學、黑洞與周圍環(huán)境的相互作用。
下一個目標：黑洞小視頻
下一代 EHT（ngEHT）計劃已經于 2019 年 9 月宣布啟動。多爾曼希望，在 VLBI 陣列中加入約 10 臺口徑 6 米或 8 米的望遠鏡，對 1.3 mm 到 0.87 mm 波段進行同步觀測，目標是在 2030 年之前得到第一個黑洞視頻。
談及望遠鏡的選址，多爾曼說：“我們希望把它們安裝在高海拔地區(qū)，因為（靠近地表的）水蒸氣會吸收一部分來自黑洞的射電信號。我們還希望新加入的望遠鏡離現有的望遠鏡遠一些，以更好地填補數據空缺。我們還希望當地已經具備一些資源和基礎設施，包括供水、供電和交通?！庇捎谖鞑亍⑶嗪！⑿陆仁》輷碛休^好的觀測條件，目前中國也在考慮在這些地區(qū)建立自己的觀測設備。
多爾曼認為，我們正處在一個黑洞大發(fā)現新時代的開端。EHT 已經和美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）、歐洲處女座引力波探測器（Virgo）開展合作，對相對論進行更加細致的檢驗，更全面地揭露宇宙的真相。LIGO 和 Virgo 能夠探測黑洞合并時發(fā)出的引力波信號，這些黑洞的質量只有太陽的幾十倍，被認為是大型恒星坍縮的產物；相比之下，EHT 觀測的目標質量能達到太陽的數百萬甚至數十億倍。這些差異巨大的黑洞將讓科學家能夠在更廣的范圍內檢驗物理學理論。多爾曼說：“廣義相對論的適用范圍似乎跨越了十個億的數量級，我覺得這點非常有趣。”
在更遠的未來，黑洞觀測還將走進太空。由于 VLBI 網絡的等效口徑取決于望遠鏡之間的最大距離，而如今的 EHT 觀測網絡已經遍及地表，那么要想得到比地球尺寸更大的望遠鏡，就需要將新的望遠鏡發(fā)射到太空。并且由于太空中沒有大氣層的阻礙，空間望遠鏡可以對更短的波長進行觀測，從而實現更高的分辨率。包括 EHT 在內的許多團隊已經開始進行模擬計算，探討如何實施這一設想。
而且，通過在太空中建設觀測裝置從而得到精度上的提高的不只是 EHT 等電磁波探測項目，引力波探測也一樣。全球已經有多個項目計劃在地球軌道甚至繞日軌道上建設由多個衛(wèi)星，來組成超高精度的激光干涉引力波探測器，例如歐洲航天局（ESA）的激光干涉空間天線（LISA）任務、日本的分赫茲干涉引力波天文臺（DECIGO），以及中國的天琴計劃和太極計劃。這些計劃多已完成項目規(guī)劃和衛(wèi)星技術驗證，將在未來 10-15 年開展觀測，為科學家?guī)黻P于黑洞，尤其是形成于宇宙誕生時期的原初黑洞的更多信息。
如果物理學繼續(xù)往前推進，我們還將來到一個更加陌生的領域，例如黑洞的量子性質?！皳Q言之，黑洞內部發(fā)生了什么？信息經過事件視界的時候會發(fā)生什么？這些都是非常深刻的問題，科學家正在進行這方面的理論研究，”多爾曼說。這條道路或許將通往物理學的圣杯——廣義相對論和量子力學的統(tǒng)一，那是愛因斯坦和霍金都未能解決的問題。
這類大科學項目的溢出效應也非常值得期待，歷史上最有名的案例便是萬維網的誕生：蒂姆·伯納斯-李（Tim Berners-Lee）最初只想讓歐洲核子研究中心（CERN）的各個實驗室之間能夠更高效地交流信息，最終卻改變了世界。如今，隨著各領域數據量和計算機算力的高速發(fā)展，普通的互聯網已經難以滿足一些大科學項目的需求，伯納斯-李的故事可能還將再次上演。制作首張黑洞照片所需的觀測數據非常多，如果使用網絡傳輸，要花費數年時間才能傳輸完畢，因此 EHT 團隊選擇通過快遞的方式，將裝滿數據的硬盤從世界各地寄到處理中心。將來隨著觀測波段的擴展和望遠鏡數量的增加，需要處理的數據還會越來越多。多爾曼說：“未來我們可能會使用高速互聯網，或者衛(wèi)星激光鏈路，把數據即時傳送到一個中央處理設施?！彼麄円苍诳紤]使用現有的商用云存儲服務，在云端組裝成一臺巨大的虛擬超級計算機，從而更高效地分析和處理數據。
來源：
1.《環(huán)球科學》2020 年第 2 期《黑洞照片之后：EHT的下一步》
2. “環(huán)球科學”公眾號：剛剛，首張銀河系中心黑洞照片公布！
https://mp.weixin.qq.com/s/l2jCR66v-WJFIpiIl6evPA
