银心黑洞照片诞生记

2022 年 5 月 12 日，银河系中心超大质量黑洞的照片首次亮相。此为事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）团队继 2019 年发布人类首张黑洞照片后所发布的第二张黑洞照片。鲜为人知的是，这张照片的诞生，过程艰难、曲折而又漫长。

/ 银心初探：400 年的 " 备孕 "

照片的主人公，是位于银河系中心的超大质量天体，天文学家称它为人马座 A*，英文 Sagittarius A*，简称 Sgr A*。它的质量超过太阳质量的 400 万倍，距离地球 2 万 7 千光年。事实上早在人类不知银河是星系，也不知银河里有黑洞的时候，那片天区就已经引起了某位天文先驱的观测兴趣。没错，这位先驱就是伽利略 · 伽利雷（Galileo Galilei）。在 1610 年，伽利略用他的望远镜对准银河上的一团 " 星云 "，发现裸眼看起来是云状的东西，实际上包含了很多的恒星。后来，1785 年，英国天文学家威廉 · 赫歇尔（William Herschel）针对望远镜分解出的这些恒星，绘制了银河系的粗略地图。

1918 年， 美国天文学家哈罗 · 沙普利（Harlow Shapley）定位出银河系的中心。他利用造父变星测量距离，确定出银河系内一族球状星团晕，是围绕着某个中心在旋转运动，该中心在人马座的一块天区当中。那块区域在可见光波段被很厚的气体和尘埃所遮挡，因而无法被当时的望远镜看到。

随后，射电技术登上历史舞台。被誉为 " 射电天文之父 " 的卡尔 · 央斯基（Karl Jansky）是贝尔电话实验室的一名工程师，他在 1932 年首次发现了来自太空的射电波。后续的研究表明，央斯基探测到的射电波正是来自于银河系的中心区域，后来这片区域被称作人马座 A，其中 A 表示那是该星座天区中最亮的区域。1951 年，澳大利亚天文学家进一步缩小发射源可能存在的范围，并表明它很可能就来自星系中心。

1974 年，布鲁斯 · 巴里克（Bruce Balick）和罗伯特 · 布朗（Robert Brown）利用美国国家射电天文台的绿岸干涉仪正式探测到银河系中心黑洞对应的致密射电源。人们对该致密射电源提出了不同的命名，但最终只有布朗提出的 Sgr A* 这一名称经受住了时间的考验而被人们接受。布朗给出的解释是，这一命名类比了原子物理学中激发态原子的命名方式。

2002 年，马克斯 · 普朗克地外物理学研究所的莱因哈德 · 根泽尔（Reinhard Genzel）小组，公布了一颗恒星 S2 围绕 Sgr A* 运动的结果，这颗恒星他们监测了十年。这个结果表明银河系中心的天体质量大于 4 百万倍太阳质量。在 2009 年，安德莉娅 · 盖兹（Andrea M. Ghez）小组公布了更多的恒星绕行的观测结果。这些结果表明位于银河系中心的天体很大可能是黑洞，因为没有其他已知的天体能在这么小的区域聚集这么大的质量。该研究以及其它关于 Sgr A* 的研究，成为了 " 银河系中心存在超大质量黑洞的最有力的证明 "。根泽尔和盖兹因此荣获了 2020 年的诺贝尔物理学奖。

根据美国甚大阵（VLA）数据获得的银河系中心附近射电图像。版权／NRAO

到此处，银河系中心天体的探索方向变得前所未有之清晰，即需给它拍照，" 看 " 它究竟是不是黑洞。给黑洞拍照需要极高的分辨率，对望远镜而言，波长越短，口径越大，分辨率也就越高。理论上只有使用短于 2 毫米波长的、口径达地球直径大小的望远镜，才具有给黑洞拍照的本领。于是，天文学家把目光瞄准了甚长基线干涉（VLBI）技术，它可以将射电望远镜组合成口径等效于基线长度（望远镜间距离）的超大望远镜。于是，用毫米波 VLBI 成像技术给黑洞拍照，开始了它的孕育。

观测设备筹备：数十年的 " 怀孕 " 自上世纪 70 年代探测到 Sgr A* 以来，人们对他的 VLBI 高分辨率探索一步也没有停歇。由于对银心的观测受到星际散射的强烈影响，人们很快便意识到只有在（亚）毫米波段，VLBI 技术才能够对 Sgr A* 一探究竟。随着观测研究的进步，天文学家早在 20 多年前就指出毫米波 VLBI 技术极有可能会实现给银心黑洞阴影拍照的宏伟目标。这些早期的大量研究探索和经验积累也正是 EHT 合作形成的重要 " 推手 "。

事实上，由于技术和观测条件的限制，短毫米波 VLBI 成像一直比较困难。1993 年，Krichbaum 等人首次实现了在 7 毫米波段对 Sgr A* 的成像，但由于参与观测的望远镜数目较少，这些结果仍存在较大不确定性。Rogers 等人于 1994 年首次在 3 毫米探测到 Sgr A*。中科院上海天文台研究员沈志强牵头的国际团队于 2002 年利用美国的甚长基线干涉阵列 VLBA 对 Sgr A* 开展了首次的高分辨率成像观测，并测量到 Sgr A* 在 3 毫米的内禀大小，发现了支持银河系中心存在超大质量黑洞的令人信服的证据。

结合大型红外望远镜的观测结果科学家们所绘制的银河系中心黑洞周围恒星运动的轨道。来源／MPE

然而，受限于毫米波望远镜的数目，一直未能实现真正的 1 毫米 VLBI 成像。Krichbaum 等人于 1998 年首次在位于法国和西班牙的两个 IR AM 的望远镜间实现了针对 SgrA* 的 1 毫米条纹探测，并获得了其在 1 毫米的角大小。Doeleman 等人于 2008 年利用一个三台站的阵列开展了 1 毫米观测，发现 Sgr A* 存在事件视界尺度上的致密结构。通过拟合一个圆高斯状的几何模型，发现该结构的大小为 37 微角秒。由于数据的限制，这些观测尚不能用来限定比一个圆高斯更复杂的模型。Fish 等人于 2011 年利用后来类似的观测发现尽管 Sgr A* 的流量密度在几天内发生了明显改变，但其大小随时间的变化却并不明显。Johnson 等人于 2015 年发现 Sgr A* 的致密结构具有明显的线偏振特征，意味着银河系中心黑洞的周围存在有序的磁场结构。通过对 VLBI 数据中闭合相位信息的分析，Fish 等人于 2016 年发现 Sgr A* 在 1 毫米的辐射结构具有不对称性。在位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）加入到 1 毫米 VLBI 阵列后，路如森等人于 2018 年发现 Sgr A* 的观测数据已不能再用单一的高斯结构模型来解释。通过考虑较此稍复杂的结构，他们发现在总体约为 50 微角秒大小的尺度上存在中间暗、周围亮的亚结构，其中与观测数据最符合的新月状结构，其直径为 52 微角秒，与广义相对论预言的黑洞阴影的结果出奇地一致。这也是此次银河系中心黑洞成像之前 1 毫米 VLBI 观测的最新结果。

经多方漫长的筹备，2017 年，工作波长在 1.3 毫米的 EHT，利用遍布全球的 8 台望远镜实现了等效地球口径的观测，终于够到了给黑洞拍照的门槛。2017 年 4 月 5 至 11 日，在老天眷顾下，天气晴好，EHT 顺利观测到首批珍贵数据。自得到观测数据的那天起，无数人翘首以盼着 Sgr A* 照片的诞生。

美国甚长基线阵（VLBA）在不同波段对射电源 Sgr A* 进行的成像。来源／鲁国镛

/ 数据处理：5 年的 " 接生 "

类比一下神话故事中以诞生困难闻名的哪吒，怀孕 3 年，生下来是一个球，被其父劈开后才成了人形。Sgr A* 的照片也一样，生下来是一堆数据，研究人员处理了 5 年，才从数据重建出了照片。我们姑且就管这个过程叫 " 接生 " 吧。

这个过程大体可以划分为两步：数据预处理和从数据重建图像。数据预处理的目的是将望远镜采集的海量原始数据，萃取为台站相关的物理量（" 互相关 " 处理），作为后续重建图像的数据。原始数据有几个 PB（1PB=1024TB，1TB=1024GB）, 在望远镜接收后被记录和存储在硬盘里。如果用这些硬盘存储电影的话，可以存储几百万部电影，连续播放几百年才能播完。这些硬盘从望远镜本地被飞机和轮船运往位于美国和德国的数据互相关处理中心，存放在专门的房间里，摆满了一整面墙。预处理完再进行数据的进一步校准处理（" 相关后 " 处理），之后的数据就只有几个 GB 了，可以轻松地用互联网传输。

后一步，从数据重建图像，才是 Sgr A* 数据分析的最大难点。同样在 2017 年观测的 M87 星系中心黑洞 M87*，早在 2019 年就发布了照片。Sgr A* 成像结果晚了 3 年才发表是因为 EHT 研究人员预见到了 Sgr A* 图像重建会比 M87* 困难很多，因此在人力有限的情况下，优先处理简单的那个。困难主要出于两个原因：第一，Sgr A* 的质量比 M87* 小 1600 倍，这意味着黑洞附近的物质绕它一圈所花的时间会很短。对 M87* 而言这一时标是近 1 个月，而对 Sgr A* 而言是大约几分钟。在目前成像所需的一天内数小时的观测时长内，M87* 可以认为没变，但是 Sgr A* 一直在变。第二，地球和 Sgr A* 都处在银河系里，二者之间不是真空的，而是充满了大量的星际介质，这些介质会影响光线的传播，对图像造成干扰和破坏。这两个因素叠加在一起是个什么效果呢？

Sgr A* 在 3 毫米的 CLEAN 图像 , 左右两图分别对应使用椭圆和圆状洁束重建的图像。来源／沈志强

打个通俗的比方，相当于拿手机给正在旋转的烟花拍照，每次拍出来的图案效果都不一样。雪上加霜的是，拍照的手机还不带防抖功能。针对 Sgr A* 的特殊情况，需要开发全新的 VLBI 图像重建方法和工具。研究人员利用与观测数据的特征相一致的仿真数据来 " 训练 " 各种成像方法，从而选取成像所需的最优参数集。这一过程的实现依赖大量的枯燥的测试工作。研究人员依据不同的成像方法被分成不同的小组，然后每个人测试不同的参数集，通过迭代，不断寻找最优参数。为确保结果可靠，类似测试进行了很多轮。据参加 CLEAN 工作组的上海天文台江悟副研究员说，他们谁也没想到这个过程会如此反复、困难，中途有人感到无望而退出，也有人一直在坚持。

利用辛苦得到的最优参数集，研究人员发现所得到图像中的绝大多数显示了环状结构，其直径、宽度和中心黑暗程度在不同的成像方法和参数选择中是一致的。然而，重建的图像在其具体形态上显示出了多样性，特别是沿着环的方位角的强度分布。这说明 EHT2017 的观测数据，对图像结构剧烈变化的 Sgr A* 限制有限。M87* 的图像并没有这样的多样性，重建图像的环状结构中明亮的部分具有一致性，揭示了那部分气体在向着我们运动，因多普勒效应而增亮。而 SgrA* 多样的形态使得它最终的平均图像上显示出三个亮斑。这些亮斑有可能是真实的，但也有可能是处理过程带来的，为了弄清这点，未来我们需要捕捉 Sgr A* 动态图像，即给它拍摄电影。

/ 未来的 " 黑洞小视频 "

EHT 作为目前唯一能够给黑洞拍照的望远镜阵列，处在不断的发展中。首先在 2017 年的观测中，共有位于全球 6 地的 8 个天文台参与其中。在 2018 年的观测中，有一个新的望远镜顺利加入了观测，即共有全球 7 地的 9 个天文台参与观测。令人兴奋的是，在 2021 和 2022 的观测中，又有另外两个望远镜加入了观测。目前，还有一些待加入的望远镜正在建设之中。

其次，EHT 将尝试在更短的波长上进行观测，以进一步提高分辨率。从 2023 年开始，EHT 将进行 0.87 毫米波段的观测，与 2017 年的观测相比，分辨率可提升近 50%。目前，2021 和 2022 的 EHT 观测已对 0.87 毫米进行了测试。未来，EHT 还将从地面观测将拓展到空间甚至月球，这将会组成一个远超地球尺度大小的超级望远镜。

未来最受瞩目的将是给 Sgr A* 拍摄 " 黑洞小视频 "，人们很想看到黑洞吞噬周围物质的动态过程。要拍到它，需要全球 24 小时接力观测，而现在 EHT 的台站主要分布在西半球，东半球则很 " 空 "。事实上，我国具备全球最合适开展亚毫米波观测的可能站址——我国西部高原的天气足够干燥。我国学者正在大力推动建设中国自主的口径 15 米级的亚毫米波望远镜，这将对未来拍摄黑洞连续动画起到很关键的作用。

不同观测设备揭示银心从远到近的风景。来源／ESA