李政道研究所助力！EHT合作组公布银河系中心黑洞首张照片

摘要： 上海交通大学物理与天文学院...

全球多地同步举行发布会，天文学家首次公布了银河系核心超大质量黑洞的影像资料，这一发现证实了该天体就是黑洞，为探究这种普遍存在于星系中心的“大家伙”的活动规律，提供了重要的参考依据。这张影像出自事件视界望远镜（EHT）协作机构这一跨国科研集体之手，他们借助散布世界各地的射电望远镜阵列完成了这项工作。

图1：银河系中心黑洞的首张照片！（EHT合作组织提供）

这张照片记录了我们银河系中心那个超大质量黑洞Sgr A*的形象，它成为了黑洞确实存在的直接视觉证明。这张照片是通过地球上的八个射电望远镜合作完成的，它们组成了一个虚拟望远镜阵列，其规模相当于整个地球。这个虚拟望远镜阵列被称作事件视界望远镜，因为黑洞的边界就是事件视界，即连光线都无法逃离的地方。

黑洞自身不发光，因此我们无法直接观测到它，不过环绕它的发光物质提供了存在的证据：一个被明亮光环包围的昏暗核心区（称为阴影）。图像中显示的（射电）辐射，均是由这个黑洞的巨大引力所偏转，其质量达到了太阳质量的四百万倍。

这张照片由EHT团队整合Sgr A*在2017年收集的各类观测信息制成，其具体构成是多个独立图像的算术平均值，参见图2。

这张照片揭示了银河系核心那个备受瞩目的大质量天体的真实形态。此前，科学家们已经发现许多恒星正围绕着一个看不见的、密度极高且质量巨大的中心天体运行。这一现象强烈表明，这个被称为人马座A*（Sagittarius A*：Sgr A*）的天体实际上是一个黑洞。如今公布的这张图像，则首次提供了直接的可视证据。

因为黑洞不发光，所以我们看不见黑洞自身，但绕转的发光气体给出了其存在的信号：一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域（称之为阴影）。照片上显现出的（射电）光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致，这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。

我们非常惊讶，环的尺寸跟爱因斯坦广义相对论的计算值高度吻合，这是天文与天体物理研究所的EHT项目科学家Geoffrey Bower的见解，前所未见的探测，显著加深了我们对银河系核心所发生事件的了解，同时也为弄清超大质量黑洞如何跟周围环境产生互动开辟了新思路。EHT团队的研究新发现，今日借助专刊，登载于《天体物理学杂志通信》上。

科学期刊网站提供了关于第一Sgr A研究结果的焦点内容,网址是特定的链接地址

银河系中心黑洞与地球相隔二万七千光年，从地球观测，其尺寸仿佛和38万千米外的月球上看到的甜甜圈大小相仿，为了捕捉这张影像，科研人员打造了观测利器EHT，该设备由全球六处八个射电望远镜构成，形成一个类似地球大小的虚拟望远镜阵列。EHT对Sgr A*进行了多次夜间观测，每次持续数小时收集信息，这个过程类似相机进行延时拍摄。

这是EHT合作组织取得的又一重要进展，他们继2019年公布了人类首张黑洞影像，记录了位于遥远星系M87中心的超大质量黑洞（M87*），如今再次实现了关键性成就。

我们银河系中心的黑洞，体积和质量都远逊于M87*，然而，这两个黑洞在外观上却惊人地相似。它们源自两种迥异的星系，并且黑洞的质量差异极大，然而当我们集中观察这些黑洞的边界时，它们却呈现出惊人的相似性，这是阿姆斯特丹大学理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席Sera Markoff教授的观点，他认为这种现象表明，黑洞附近的物质完全遵循广义相对论的规律，而我们从远处观测到的不同现象，实际上是由黑洞周围物质的不同特性所引起的

Sgr A*虽然离我们更近，但这项研究的完成过程却比M87*要困难得多得多。斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的EHT科学家Chi-kwan Chan说明，黑洞附近的物质几乎都以光速那么快的速度环绕着Sgr A*和M87*高速运动。绕行M87*一圈耗时数天至数周，而体积显著更小的Sgr A*则仅需数分钟完成周游。这表明在EHT捕捉Sgr A*影像的瞬间，围绕该超大质量黑洞的气体旋转亮度与形态正发生急剧变动。此现象宛如定格一条追逐自身尾巴的小狗的清晰画面。

科研人员必须研制出精密的专用设备来分析环绕超大质量黑洞Sgr A*的气体流动情况，拍摄M87*这类性质稳定且形态几乎一致的星系核相对简单，但观测Sgr A*则截然不同，其黑洞影像是通过将多张图像进行整合处理获得的，这一成果使研究小组首次得以揭示我们银河系核心那个隐秘的“庞然大物”。

这项宏伟计划的成功，得益于全球80家科研单位联合起来的EHT合作组织，该组织汇聚了超过300名科研人员的热忱与智慧，他们共同提出了创新的想法。为了解决Sgr A*成像过程中的重重困难，研究团队不仅设计制造了精密的观测设备，还投入了五年的时间，借助超级计算机的力量，对海量数据进行了细致的合成与剖析，最终构建了首屈一指的黑洞模拟资料库，并与实际观测数据进行反复核对，确保了结果的精准可靠。

图2：银河系中心那个超大质量黑洞的第一张影像资料，其获取过程是这样的！（EHT合作组织提供）

EHT研究集体将整合2017年EHT对Sgr A*获取的众多影像资料，进而合成银河系核心超大质量黑洞Sgr A*的完整图像。

这张最终影像系将成千上万个经由各异算法处理所得的图形加以整合而成，每幅图形均能精确适配EHT观测资料。该影像着重突显了各类图形中共有的细节，同时有效削弱了那些罕见的元素。

这些由众多相异图画构成的合集，能够依据彼此相近的征象划分成四个分支类别。图示最下方一行，呈现的是各个分支类别中具有典型性的中心画面。有三个分支类别的图像均显现出环状构造，它们之间的差异仅在于环周的光度散布形态各异。第四个分支类别的图像，虽然同样能够契合数据规律，但其视觉形态却并非环状结构。

柱状图展示了各个子集中的图像数量比例。前三个子集里，每集都包含成千张照片，而第四个子集作为最小的一组，仅有几百张图像。柱状图的高度表示每个子集对最终照片整体的影响力程度，或者说它在总数量中的占比。

EHT理论及模拟研究团队的负责人、上海交通大学李政道研究所的副教授水野陽介表示：成像环节运用了超级计算机执行海量运算，例如上海交通大学的思源一号，通过数值模拟共制作出二十余万张图形，我们须逐一审视这些图形，从中甄选出能够复现黑洞周边构造的图形。” 他主导了黑洞数值模拟库的开发。

科研人员对于成功拍摄到两个尺寸不同的黑洞影像感到十分激动，这一成果为他们的对比分析创造了条件，他们正运用这些新增信息来验证围绕超大质量黑洞的气体活动规律的相关理论和模型，尽管这一过程的具体机制尚不明晰，但普遍认为它对星系的形成与演变具有决定性影响。

如今我们能够针对这两个超大质量黑洞的不同之处进行研究，从而得到有助于认识这一关键环节的新启示，天文与天体物理研究所的EHT科学家Keiichi Asada说明。我们已掌握两张质量相差达一千五百倍的黑洞图像，与以往相比，现在可以更细致地探究极端环境中的引力效应。

EHT并未终止观测探索的进程，就在今年三月，已经实现了更多天文设备参与的协同观测活动，EHT的持续发展和技术进步，将让研究人员能够获得更加震撼的图像资料，未来有望呈现黑洞形成的精彩影像记录

观测巨型黑洞长时间内的活动波动是未来EHT的核心研究课题，EHT青年科学委员会的成员崔玉竹，来自上海交通大学李政道研究所的博士后表示。

注释：

2017年EHT观测项目动用了八台设备，包括ALMA（阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列）、APEX（阿塔卡马探路者实验望远镜）、IRAM 30米望远镜、JCMT（詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜）、LMT（大型毫米波望远镜）、SMA（亚毫米波阵列）、SMT（亚毫米波望远镜）以及SPT（南极望远镜）。近些年，EHT新增了多个望远镜，例如GLT（格陵兰望远镜）、NOEMA（北天延展毫米波阵列）以及基特峰12米望远镜。

黑洞是已知天体中，尺寸和质量呈现正比关系的，体积相差千倍的黑洞，其质量也相应地相差千倍。