第一张银河系黑洞照片

编译 李威

北京时间2022年5月12日，天文学家宣布，他们已经揭开了我们银河系中心的神秘面纱，捕捉到了居住在那儿的“温和的巨人”的第一张照片。这个巨人其实是一个超大质量黑洞，它是一扇时空之门，在门的后面，相当于400多万个太阳的质量被送入了永恒，只留下它们的引力效应粗暴地扭曲了附近的时空。

这张在华盛顿等6处地点同时召开的新闻发布会上发布的照片展示了一个由射电包裹宇宙空间而形成的环形结构。当亚利桑那大学天文学家费里亚尔·厄泽尔（Feryal Özel ）在华盛顿美国国家新闻俱乐部发布会上宣布发现了“第一张银河系中心黑洞的直接照片”时，现场爆发了欢呼与惊喜之声。她还补充说道：“照片里的黑洞看上去就像甜甜圈。”

厄泽尔博士是事件视界望远镜项目的成员，这个项目由来自13个机构的300多名科学家组成。他们管理着一张仍在不断增长的全球望远镜网络，这张网络的观测能力等效于一台如同地球这样大的望远镜。事件视界望远镜项目拍摄到银河系中心黑洞的相关论断于2022年5月发表在期刊《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上。

“20年前，我第一次知道这个黑洞，当时就爱上了它，并且之后一直在研究它的相关性质。”厄泽尔博士说，“但在此之前，我们一直没能直接拍摄到它的照片。”

2019年，这支团队还捕捉到了M87星系中心黑洞的照片。这张照片也是人类拍摄到的第一张黑洞照片，现在供奉在纽约现代艺术博物馆里。“我们终于看到了这种‘不可见’天体。”哈佛-史密森天体物理研究中心天文学家谢泼德·多尔曼（Sheperd Doeleman）当时说。

天文学家认为，黑洞照片以及相关研究成果，可以让我们更好地认识星系、星系演化，以及类星体的产生方式。类星体释放的能量全宇宙都能观测得到，最为关键的是，即便是我们银河系这样看似平静的星系都能孕育这种蕴含巨大能量的天体。

1971年，剑桥大学天文学家马丁·里斯（Martin Rees）和同事唐纳德·林登-贝尔（Donald Lynden-Bell，2018年逝世）在一篇论文中预言，超大质量黑洞就是类星体的能量来源。最新的黑洞照片及相关成果无疑再次支持了这个结论。里斯博士称这个新研究结果是“一项后端成就”，并且表示他“很喜欢相关计算机模型”。

厄泽尔博士称，这张新照片与2019年照片的相似性证明了黑洞在之前那张照片中看起来像甜甜圈并非巧合。事件视界望远镜项目成员，哈佛大学物理学家、科学史学家彼得·加里森（Peter Galison）在一次采访中特别指出，M87中心的黑洞质量相当于银河系中心黑洞的1 500倍。按照天文学和物理学中的普遍情况，当某个量出现10倍以上的变化时，一切相关性质都会发生相应变化。“这两个黑洞质量差距如此巨大，外观仍如此类似，的确令人震惊。”加里森博士说。

同样来自哈佛-史密森天体物理研究中心的天文学家、事件视界望远镜项目成员迈克尔·约翰逊（Michael Johnson）在新黑洞照片的发布会上说：“这个结果也再次有力支持了爱因斯坦的广义相对论。”

爱因斯坦的噩梦

广义相对论认为，引力的本质就是物质与能量扭曲时间和空间产生的效应——就像你躺到床上后，床垫向下凹陷差不多——而黑洞就是这个理论意想不到的推演结果。

爱因斯坦的这个理论催生了全新的宇宙概念——时空可以颤抖、扭曲、撕裂、膨胀、旋转，甚至永久消失在黑洞这种引力强到连光都无法逃脱的天体的腹中。

爱因斯坦本人也不愿接受黑洞的存在，但我们现在知道，宇宙里到处都是黑洞。其中有许多都是恒星走到生命末期向自身内部坍缩并进一步演化后留下的遗迹。

不过，还有更意外的情况。现在看来，几乎每个星系中心（我们的银河系也不例外）都藏匿着一个质量相当于几百万乃至几十亿个太阳的黑洞。到目前为止，天文学家还不清楚这些超大质量黑洞究竟是怎么形成的。

加州大学洛杉矶分校天文学家安德莉亚·盖兹

有意思的是，虽然黑洞连光都能吞噬，但它们却是宇宙中最为明亮的天体。各种物质——气体、尘埃、恒星碎片——在坠向黑洞时都会在稠密的电磁场漩涡中被加热到几百万度的高温。其中一部分物质会彻底落到黑洞内部，但还有一部分会在巨大的压力和磁场作用下被喷射出来。

这样的烟火表演就是类星体的成因，它们可以比正常星系亮几千倍。20世纪60年代，类星体的发现促使天文学家和物理学家认真思考黑洞是否真的存在的问题。

如此庞大的虚无之物究竟是怎么产生的？这仍然是个谜。有没有可能是大爆炸时期原初能量积聚的稠密时空褶皱？有没有可能是宇宙诞生之初的失控恒星，它们不但自身发生了坍缩，而且还持续吸收了附近的能量与物质？

从1974年起，我们就知道银河系中心存在一个叫作人马座A*的微弱射电噪声源。

马克斯·普朗克地外物理研究所天文学家莱茵哈德·根策尔

包括加州大学洛杉矶分校安德莉亚·盖兹（Andrea Ghez）和马克斯·普朗克地外物理研究所莱茵哈德·根策尔（Reinhard Genzel）在内的诸多天文学家通过跟踪围绕银河系中心运动的恒星和气体云轨道，计算得到结论：那里存在一个质量相当于414万个太阳的天体，且其体积不过只是水星绕日轨道那么大。根策尔博士和盖兹博士也凭借这项成果与罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）分享了2020年诺贝尔物理学奖。

人马座A*体积那么小，但质量又那么大，除了黑洞之外，还能是什么呢？

追逐阴影

然而，证实人马座A*就是黑洞完全就是另一码事了。眼见才为实。

1967年，物理学家詹姆斯·巴丁（James Bardeen）提出，黑洞也并不是完全不可见，它可以以射电薄雾包裹的幽灵般的黑色圆圈的形式呈现在观测者面前。

黑洞的引力会扭曲并放大自身的图像，就人马座A*的情况来说，会产生一个直径大约8 000万千米的阴影。根据华盛顿大学埃里克·阿高尔（Eric Agol）、德国马克斯·普朗克射电天文研究所海诺·法尔克（Heino Falcke）和亚利桑那大学福尔维奥·梅里亚（Fulvio Melia）在2000年的计算结果，从地球上观测这个阴影，就像观测月球上的一个橙子那么大。

自那之后，天文学家就一直在努力提高望远镜的灵敏度，以分辨这个橙子大小的阴影。问题在于，星际空间中的离子化电子和质子会散射射电波，形成一片足以模糊波源细节的光晕。“那感觉就像是透过淋浴房的玻璃看外面。”多尔曼博士最近接受采访时说。

为了更深入地观测黑洞阴影，研究人员就需要把射电望远镜的观测波段调到更短的波长上，以穿透这层迷雾。归根到底，他们需要一架更大的望远镜。

2019年4月，事件视界望远镜项目团队收获了第一次重大胜利，也即拍到了这张M87中心黑洞的照片

2009年，多尔曼博士及其同事组建了事件视界望远镜项目。所谓“视界”就是指黑洞附近的一种边界，一旦越过了这条边界，就再也不可能挣脱黑洞的引力束缚返回了。时至今日，全球已经有11台射电望远镜参与了这个国际合作项目。

2019年4月，事件视界望远镜项目团队收获了第一次重大胜利，也即拍到了M87中心黑洞的照片。2021年，项目组成员进一步提炼数据后发现，这个黑洞周围还有磁场环绕，看上去就像一根根细长步枪枪管，将物质和能量泵入虚空中。

2017年，事件视界望远镜项目成员为拍摄M87照片开展了一轮观测。这次观测也记录了人马座A*的数据，但用了更多的望远镜阵列——8个，而非7个——因为这个团队想要在这次观测中纳入一台看不到M87的南极望远镜。

M87中心的黑洞向全宇宙播送着射电“信号”。相较之下，我们银河系中心的这个黑洞确实只能算是一位“温和的巨人”。“如果我们银河系中心的这个黑洞是一个人，”约翰逊博士这样评价人马座A*，“那么，与他的同类相比较，他的食量大概就相当于每几百万年才吃一粒米。”

人马座A*黑洞同样在贪婪地吞噬一切，也同样明亮，但“效率低下”。约翰逊博士补充说：“它的质量虽然是太阳的400多万倍，但释放的能量却只有太阳的几百倍。要不是因为它就在我们自家的银河系里，压根观测不到它。”

人马座A*黑洞之所以比M87中心黑洞更难观测，还有另外一个原因：由于人马座A*黑洞的质量和尺寸都不到M87中心黑洞的千分之一，前者的演化速度要快一千多倍，于是，它的外观差不多每5分钟就会发生变化。厄泽尔博士称“它一直在滋滋作响”。

相较之下，M87中心的黑洞在长达一个星期的观测周期中都几乎没有什么变化。“就像佛祖一样，只是端坐在那儿。”多尔曼说。

“因此，观测人马座A*的时候，哪怕时间只是一个晚上，在我们收集数据的时候，它也在不断变化。于是，就算你镜头盖一刻都没合上，最后拍到的也只是一团模糊。”

发布会上，事件视界望远镜项目成员、加州理工学院计算机科学家凯瑟琳·布曼（Katherine Bouman）称，从高达3.5拍字节的海量观测数据中筛选、制作人马座A*照片，那感觉就像是“听一首许多琴键缺失的钢琴弹奏的曲子”。

事件视界望远镜项目的望远镜成员借助一种叫作甚长基线干涉的技术一一配对、互相结合，就像人群中的所有个体都互相握手致意一样。这个网络中的望远镜越多，“握手”的次数就越多，可以互相比对的数据就越多。接着，计算机算法就可以介入，补充缺失的数据，并且模拟黑洞可能的结构。

哈佛-史密森天体物理研究中心天文学家谢泼德·多尔曼（右）和同事在操作位于墨西哥的大型毫米波望远镜，照片摄于2015年。大型毫米波望远镜是事件视界望远镜项目的成员之一

大部分模拟结果都是一个水星绕日轨道大小的环，与爱因斯坦广义相对论和根策尔博士以及盖兹博士的观测结果相符。

“我们的发现证实了100多年前的预言，着实令人惊奇，”事件视界望远镜项目成员、新泽西普林斯顿高等研究院天体物理学家利亚·梅德罗斯（Lia Medeiros）说。

然而，这个成果也并非尽善尽美。按照计算机模拟的结果，人马座A*这个黑洞应该比观测结果更“喧闹”、更“活跃”一些。“肯定缺失了一些东西。”研究黑洞和星系形成的耶鲁大学天文学家普里亚·纳塔拉詹（Priya Natarajan）说。

多尔曼的下一个目标是继续扩大事件视界望远镜项目的望远镜网络，使其囊括更多射电望远镜阵列，形成足够大的天区覆盖范围，以便获取一段银河系中心黑洞的影片。要想实现这个目标，最大的挑战是必须根据在黑洞周围运动的物质描绘出黑洞的隐藏结构。

诺贝尔奖得主、加州理工学院研究黑洞的专家基普·索恩（Kip Thorne）说，他正热切地期盼看到描绘黑洞周围气体的详实影片：“具有重大意义的新理论经常在这样的研究中出现，有时还会有些意想不到的惊喜。”

哥伦比亚大学巴纳德学院引力理论专家扬娜·列文（Janna Levin，她并不是事件视界望远镜项目的成员）也同样认为这样的研究成果意义重大且信息量丰富。她半开玩笑地说：“我可还没对黑洞照片感到厌烦。”

资料来源 The New York Times