银心黑洞照片诞生记

银心黑洞照片诞生记

                    ,李菁1，曹文赋2，蔚筱霄3，,肖倩倩,4

上海工程技术大学 201620

2022年的春天，事件视界望远镜 (Event Horizon Telescope) 公布了银河系中心超大质量黑洞的照片，这是该团队继2019年发布的第二张黑洞照片。鲜为人知的是，这张照片诞生的过程极其艰难和漫长并蕴含着非凡的意义。

早在伽利略·伽利雷 (Galileo Galilei) 的时代，人们就已经知道了可以使用望远镜粗略的观测星空。在1610的某天，伽利略像往常一样端坐在自己发明的望远镜前，他拿起目镜筒，一边欣赏着天穹上闪闪发光的小星星，一边思考着刚才无意间看到的一团“星云”，这些观察的事实使他更加确信哥白尼的日心说。直到1785年，英国天文学家威廉·米歇尔 ( William Herschel) 才明白那一团看起来是云状的结构，实际上包含了很多很多的恒星，并且他使用分辨本领更强的望远镜区分出了这些恒星，绘制了银河系的第一张地图。

直到射电技术登上历史的舞台，天体物理学家们才逐步揭开了银河系中心的神秘面纱。被誉为“射电天文学之父”的卡尔·央斯基 (Karl Jansky) 于1932年首次发现了来自宇宙空间的射电波，经过后续的深入研究，他发现探测到的射电波来自于银河系的中心区域，天文学家则把这片区域称之为人马座A(SgrA) ，A代表那片星座天区中最亮的区域。随后，更多的证据指明银河系中心是一个超大质量黑洞。在2002年，马克斯·普朗克研究所的天体物理学家莱茵哈德·根泽尔 (Reinhard Genzel) 领导的小组，通过对这片天区中的某颗恒星进行长达十年的检测，发现银河系中心的天体质量大于四百万倍太阳质量。随后2009年，安德莉亚·盖兹 (Andrea M.Ghez) 则更细致的研究了绕该中心天体的恒星运行轨迹等天文特征。这些证据表明位于银河系中心的天体确实是黑洞，因为没有已知的天体能够在这么小的区域内聚集超大的质量。根泽尔和盖兹因此荣获了2020年的诺贝尔物理学奖。

为了更进一步验证银河系中心天体是否为黑洞，我们只需要给它拍照，“看”它是否符合理论的预测结果。给黑洞拍照的望远镜要具备极高分辨率的特质，一般而言，波长越短，望远镜口径越大，分辨率也就越高，并且理论上要求使用短于2毫米波长和口径至少达到地球直径的望远镜。经过一段时间的探索，天文学家们把目光瞄准了甚长基线干涉(VLBI)技术,它可以把射电望远镜组合成口径等效于望远镜间距离的超大望远镜。

由于技术和观测的限制，直到2017年，科学家们才通过遍布全球的八大望远镜终于实现了工作波长在1.3毫米并且口径覆盖地球的超大望远镜。这一年春天，在上天的眷顾下，EHT顺利进行了观测并得到首批珍贵的数据，于是自这一天起，无数人翘首以盼着SgrA*的照片——这一人类对宇宙伟大的探索。

从2017年到2022这长达五年的时间里，研究人员主要在做两件事情：数据预处理和分析数据并重建图像。望远镜观测到并保存的数据有几个PB (1PB=1024TB，1TB=1024GB) ，这些数据被保存在硬盘中，然后这些硬盘从各个望远镜本地运往位于美国和德国的数据互相关处理中心，经过预处理后，这些数据就只有几个GB了，可以轻松使用互联网传输。最后，依据这些数据进行重构，这一步是数据分析最大的难点。因为围绕SgrA*旋转一周的物质所花时间极短，大约几分钟，在目前成像要求一天内数小时的观测时常内，SgrA*一直在改变，并且由于宇宙空间充满了大量星际物质，这些介质会影响光线的传播，对图像造成干扰，这两个因素导致实际图像的效果大打折扣。据参加重构工作的上海天文台的江悟副研究员所说，由于这一过程是如此的复杂和困难，而且整个过程需要重复很多次，因此中途有人感到无望而退出，也有人坚持到了最后。所谓天道酬勤，虽然寻求银心黑洞照片之路充满艰辛，但科学家们最终幸运的达成了这一壮举。首先结果是重构图像在形态上有其多样性，该黑洞图像具有明显的环的结构，其中环状结构中明亮的那一部分代表向我们移动的气体，因多普勒效应而增亮，这些亮斑可能是真实的也可能是处理过程造成的，为了弄清楚这点，未来我们需要捕捉SgrA*的动态图像，即拍摄黑洞电影。

未来最受瞩目的黑洞电影需要全世界科学家的深度合作，特别是需要更多中国科学家的参与。人们如果想看到黑洞吞噬周围物质的完整的动态过程，就要时刻检测它，这就需要全球24小时的接力观测，而现在EHT的台站主要分布在西半球，东半球则很“空”。事实上，我国具备全球最适合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。