銀河系中心的秘密即將揭曉？EHT將於5月12日公布一個重大發現

自從人類開始仰望星空以來，就對浩瀚的宇宙充滿了好奇，這樣的情況直到現在依然如此，藉助各式各樣的觀測設備，現代人類可以拍攝到大量的宇宙深空照片，幾乎每天都有更新，在近幾年拍攝的照片之中，最有價值的應該就下面這張照片了。

這張照片就是人類的首張黑洞照片，由視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）合作組織於2019年4月10日公布，其拍攝對象是位於「M87」星系中心的一個超大質量黑洞——「M78*」，這個黑洞的質量約為太陽質量的65億倍，距離地球大約5500萬光年。

此次對「M78*」的直接成像幫助人類確認了「黑洞」這種奇異的天體在宇宙中確實存在，同時也驗證了愛因斯坦的廣義相對論的正確性（科學家發現此次觀測到的黑洞陰影與廣義相對論所預言的結果幾乎完全一致），可以說是對人類的宇宙學具有相當重要的意義。

值得注意的是，「M78*」並不是EHT唯一的目標，根據歐洲南方天文台（ESO）發布的消息，拍攝首張黑洞照片的視界望遠鏡，將於2022年5月12日13:00（世界時）公布一個重大發現。到底是什麼「重大發現」呢？目前我們只能進行猜測。

過去的研究表明，在銀河系中心存在著一個非常明亮並且非常緻密的射電波源——「人馬座*」（Sagittarius A*），儘管科學界普遍認為，「人馬座A*」應該就是一個超大質量黑洞，但這畢竟只是通過觀測數據間接推測出的一種假說。

實際上，還是有一些科學家認為「人馬座A*」並不是超大質量黑洞，比如說在2021年5月21日，一個來自義大利國際相對論天體物理學中心的研究團隊就在《皇家天文學會通訊月刊》上發表論文稱，「人馬座A*」有可能只是一種特殊的暗物質團。

也就是說，想要確認銀河系中心到底有沒有一個超大質量黑洞，我們還需要進一步的證據，與之對應的是，對於EHT將於5月12日公布的內容，歐洲南方天文台給出的提示是：「這是一個與銀河系有關的、具有突破性的重大發現」。

在此基礎上，再考慮到視界望遠鏡所擅長的觀測領域，我們就可以合理地猜測，這個「重大發現」應該就是EHT對「人馬座A*」進行了直接成像（就像人類的首張黑洞照片那樣），而如果真是這樣的話，那就意味著銀河系中心的秘密即將揭曉。

與前文提到的「M78*」相比，「人馬座A*」的質量要小得多，大約只有太陽質量的430萬倍左右，如果「人馬座A*」真的是一個黑洞的話，那麼它的視直徑就只有50個微角秒，這是什麼概念呢？這樣說吧，假如現在有一個人能夠從月球上看到地球上的一份報紙，那麼他所看到這份報紙上的文字末尾的句號的視直徑，大概就是1微角秒。

（註：視直徑也稱視大小，我們可以簡單地將其理解為，視直徑就是我們所看見的物體的視角，對於同一個物體來講，它距離我們越遠，其視直徑就越小）。

儘管如此，視界望遠鏡仍然有能力對「人馬座A*」進行直接成像，簡單來講，視界望遠鏡其實就是一個由分布於世界各地的許多射電天文台或射電望遠鏡等觀測設施組成的陣列。

如上圖所示，這些觀測設施通過一種被稱為超長基線干涉（VLBI）的技術整合在一起，共同組成了一個擁有高靈敏度、高角解析度的虛擬望遠鏡，要知道一個望遠鏡的直徑越大，它的解析度就越高，而視界望遠鏡的直徑可以認為是與整個地球的直徑相當，其解析度之高可想而知。

從技術層面上來看，就算「人馬座A*」是一個黑洞，視界望遠鏡也可以「看」到它，準確地講，應該是「看」到這個黑洞的陰影，通常情況下，被黑洞捕獲的物質會沿著一種螺旋形的軌道墜入黑洞，在此過程中，這些物質會被黑洞強大的引力被加速到接近光速（因為角動量守恆），並因為劇烈的摩擦而釋放出大量的電磁波，進而勾勒出黑洞的陰影。

5 月 12 日晚，在世界各地同時舉行的新聞發布會上，天文學家們公布了銀河系中心超大質量黑洞的第一張照片。這一結果提供了壓倒性的證據，證明我們所在的星系中心確實是一個黑洞，並為此類巨星的運行提供了有價值的線索。一直以來，人們認為大多數星系的中心均存在巨型黑洞。該圖像由一個名為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）的全球研究團隊，使用來自全球多處的 11 台射電望遠鏡網路觀測形成結果。

它是位於銀河系中心的超大質量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*，或簡稱 Sgr A*），在可見光波段下被銀河系旋臂的宇宙塵埃遮蔽。「事件視界望遠鏡」陣列將地球上現有的八個射電天文台連接在一起，形成一個單一的「地球級」虛擬望遠鏡。「事件視界」是黑洞的邊界，光線無法逃脫。雖然我們看不到事件視界本身，因為它不能發光，但圍繞黑洞運行的發光氣體揭示了一個明顯的特徵：一個黑暗的中心區域（稱為「陰影」），周圍環繞著一個明亮的環狀結構。

新視圖捕捉到了被黑洞強大引力扭曲的光線，Sgr A* 黑洞的質量是太陽的 400 萬倍。人馬座 A * 是是銀河系中心的超大質量黑洞，直徑約為 2200 萬英里，是一個強大的無線電波源。它在 1974 年首次被發現，但一直以來，科學家都無法對其進行成像。或許，本次發布的新照片能幫助天文學家研究銀河系中心周圍吸積和流出的特性，還將進一步推動黑洞物理學基礎研究。

2020 年的諾貝爾物理學獎就授予了因在銀河系中央發現超大質量天體的德國科學家賴因哈德 · 根策爾和美國科學家安德烈婭 · 蓋茲，英國科學家羅傑 · 彭羅斯因證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果而同時獲獎。

自上世紀 90 年代初以來，根策爾和蓋茲分別領導一個科研小組，用各種先進望遠鏡觀測銀河系中央「人馬座 A *」區域。他們發現了一個質量巨大且不可見的天體：在不超過太陽系的空間中聚集了約 400 萬個太陽的質量，使周邊恆星急速旋轉。這一開創性工作提供了迄今為止最令人信服的證據，即銀河系中央有一個超大質量的黑洞。

距離我們大約 27000 光年的人馬座 A * 靠近人馬座（射手座）和天蠍座（天蠍座）的邊界，也就是上面銀河系圖像中那條黑色的、塵埃分布的軌跡上。然而，剛剛發布的黑洞照片提供了它的第一個直接視覺證據。如下面銀河系中心的標記地圖所示，上面標有人馬座 A* 的確切位置。

事件視界望遠鏡如何「看」到黑洞，對於大眾來說，這次黑洞照片的拍攝者事件視界望遠鏡 (EHT) 並不算陌生，它使用全球射電天文台網路來創建一個望遠鏡，等效口徑等同於地球大小。人馬座 A * 黑洞的最終圖像是團隊使用 EHT 在世界各地的 11 台望遠鏡提取的不同圖像的平均值。

因為黑洞距離地球大約 2.7 萬光年，因此在我們看來它在天空中的大小與月球上的甜甜圈差不多。為了對其進行成像，EHT 將地球上現有的八個射電天文台連接在一起，形成一個單一的「地球大小」的虛擬望遠鏡多天觀察人馬座 A*，連續數小時收集數據，類似於在相機上使用長時間曝光。

這一突破是在 EHT 合作於 2019 年發布第一張 M87 星系超大質量黑洞圖像之後發布的，後者位於更遙遠星系的中心位置。2019 年，EHT 發布了首張位於室女座的超巨橢圓星系 M87 中心的黑洞圖像。它揭示了一個明亮的環狀結構，其中有一個黑暗的中心區域——黑洞的陰影。2019 年，人類拍到的第一張黑洞照片。

從地球上看，它是第二大黑洞，大約是銀河系黑洞的 1000 倍，但距離要遠 2000 倍。這張初始圖像在 2021 年更新了一版，包括 M87 黑洞周圍的偏振光？EHT 合作拍攝的兩個黑洞看起來非常相似，儘管銀河系的黑洞比 M87* 小一千多倍，質量也小一千多倍。

M87 * 雖然更大，但距離我們比 Sgr A * 更遠，因為 M87 黑洞較活躍，所以此前科學家們優先選擇 M87 成像。但從這次的結果來看，銀河系黑洞反而更加特別，三個高亮區域表明銀河系黑洞的吸積盤非常不穩定，物質密度有明顯差異，也有可能剛發生過劇烈擾動。

EHT 科學委員會聯合主席、理論天體物理學教授 Sera Markoff 說道：「這是兩種完全不同類型的星系和截然不同的黑洞質量，但在靠近這些黑洞邊緣的地方，它們看起來驚人地相似。這種現象告訴我們，這些物體受到廣義相對論約束，我們觀察到的差異是由黑洞周圍物質導致的。」

新的成就比 M87 黑洞困難得多，儘管 Sgr A* 離我們更近。亞利桑那大學 Steward 天文台、天文學系數據科學研究所的 EHT 科學家 Chi-kwan Chan 解釋說：「黑洞附近的氣體以相同的速度移動——幾乎和光一樣快。但在較大的 M87* 中，氣體需要數天到數周才能繞行一圈，而在小得多的 Sgr A* 周圍，軌道完成一圈只需幾分鐘。這意味著 Sgr A* 周圍氣體亮度和形態在 EHT 觀察時正在迅速變化——有點像試圖拍一張小狗快速追逐自己尾巴的清晰照片。」

為此，研究人員必須開發複雜的新工具來解釋 Sgr A* 周圍的氣體。Sgr A* 黑洞的圖像是該團隊獲取不同圖像的平均值，最終首次揭開了潛伏在銀河系中心巨人的面紗。EHT 協作組織中來自世界各地 80 個研究所的 300 多名研究人員共同完成了這項工作。該團隊為此工作五年，使用超級計算機來組合和分析數據，同時編譯了一個全新的模擬黑洞庫以與觀測結果進行比較。

「這項工作清楚地表明了使用無線電、毫米和亞毫米頻率來了解宇宙中最極端環境的重要能力，」NRAO 北美 ALMA 科學中心 (NAASC) 負責人 Tony Remijan 表示。「使用這些頻率範圍是揭示黑洞周圍獨特環境的唯一方法，這些環境在其他頻率下完全被遮蓋。

添加 ALMA 對觀察也很重要，因為它提供了必要的靈敏度，可明確地進行觀察。結合來自世界各地設施的所有數據——以 ALMA 作為所有這些設施的錨點——提供了進行這些類型發現所需的靈敏度和解析度。這僅僅是個開始。ALMA 計劃在未來十年大幅提高靈敏度，在宇宙中還有很多事物等待我們發現。」

科學家們對於獲得兩個尺度極端不同黑洞的圖像非常興奮，這提供了比較和對比的機會。人們已開始使用新數據來測試氣體如何在超大質量黑洞周圍運動的理論和模型。這一過程尚未完全獲得解釋，但被認為在塑造星系的形成和演化方面發揮著關鍵作用。

「現在我們可以研究這兩個超大質量黑洞之間的差異，以獲得有關這一重要過程如何運作的有價值的新線索，」台北「中央研究院」天文與天體物理研究所的 EHT 科學家 Keiichi Asada 說道。我們有兩個黑洞的圖像——一個在宇宙中超大質量黑洞的大端，一個在小端——因此我們可以比以往更進一步地測試重力在這些極端環境中的表現。

EHT 的發現仍在繼續：2022 年 3 月的一次重大觀測活動動用了比以往更多的望遠鏡。EHT 網路的持續擴展和重大的技術升級將使科學家們在不久的將來分享更令人印象深刻的圖像，甚至黑洞短視頻。