银河系中心黑洞首张照片发布

　　北京时间2022年5月12日晚21:00，在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上，天文学家向人们展示了来自于EHT的关于银河系中心的一项突破性成果——首次拍摄到银河系中心的超大质量黑洞照片！
　　银河系中心黑洞的首张照片 | Event Horizon Telescope Collaboration
　　EHT（事件视界望远镜）
　　事件视界望远镜（英语：Event Horizon Telescope， EHT）是一个以观测星系中央特大质量黑洞为主要目标的计划。该计划以甚长基线干涉技术（VLBI）结合世界各地的射电望远镜，使许多相隔数十万公里的独立天线能互相协调、同时观测同一目标并记录下数据，形成一口径等效于地球直径的虚拟望远镜，将望远镜的角分辨率提升至足以观测事件视界尺度结构的程度。EHT期望借此检验爱因斯坦广义相对论在黑洞附近的强重力场下是否会产生偏差、研究黑洞的吸积盘及喷流、探讨事件视界存在与否，并发展基本黑洞物理学。
　　今天发布的黑洞照片与三年前的M87星系黑洞照片长得一样吗？
　　可以说，照片中的黑洞从对称的＂甜甜圈＂化身为了不太对称的＂甜甜圈＂。
　　三年前，也就是北京时间2019年4月10日晚，EHT公布了人类拍摄的第一张黑洞照片，引发了高度关注，该黑洞被称为 M87*。回顾一下第一次与超大质量黑洞见面的样子：
　　M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像 | Event Horizon Telescope Collaboration
　　三年前发布的这张图像的意义非同一般，它提供了黑洞存在的直接＂视觉＂证据，使得在强引力场下验证爱因斯坦广义相对论，细致研究黑洞附近的物质吸积与相对论性喷流成为可能。
　　其实，北京时间2021年3月24日晚，EHT向全球发布过M87黑洞的第二张写真。中国科学院上海天文台牵头组织协调，包括8位台内研究人员在内的国内学者参与了这次的EHT合作。
　　偏振光下超大质量黑洞M87*的图像 | Event Horizon Telescope Collaboration
　　前两次发布的时间虽然相隔了两年，但其实它们来自于同一批成像观测。不同之处在于，这张＂照片＂是通过处理偏振信号获得的，所以我们称之为＂黑洞在偏振光下的影像＂。这也是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振信息。
　　今天发布的这项成果有着怎样重大意义？
　　这一成果给出了该天体就是黑洞的实证 ，为理解这种被认为居于大多数星系中心的＂巨兽＂的行为提供了宝贵的线索。
　　这意味着人类在观测设备、观测技巧、数据处理能力等多方面有了一次系统化的飞跃。同时，这次发布的观测成果进一步提升了对爱因斯坦广义相对论的检验。也就是说，我们对＂时空如何弯曲，物质如何运动 ＂的了解又能够更进一步了。
　　早在1931年，央斯基就收到了来自银心方向的无线电信号，1974年天文学家布鲁斯·巴里克（Bruce Balick）和罗伯特·布朗（Robert Brown）最先使用长基线干涉的方式确认了银河系中心的射电源，布朗在后来1982年的一篇论文中给了它一个编号Sgr A*（人马座A*） 。
　　X射线下的人马座A | NASA
　　为什么时隔三年才发布？
　　超长的＂印照片＂时间主要是由于要做复杂的＂后期处理＂ 以及进行＂补拍＂ 。
　　EHT拍摄 Sgr A* 的工作在2017年4月正式开始。这项拍摄任务需要为所有参与的观测站凑出联合观测的时间，全年不过10天。虽然，大家基本上都按计划完成了观测任务，但是接下去面对的就是海量数据。
　　2017年4月份参加EHT观测的8个VLBI台站，实线连接的为观测M87的5个地点（7个台站；由于位置限制，位于南极的SPT望远镜无法观测到M87），虚线连接的为观测一个校准源（3C279）的台站。| 上海天文台
　　为了增加探测灵敏度，EHT所记录的数据量非常庞大。以三年前发布的首张黑洞照片为例， 在2017年4月份的观测中，8个台站在5天观测期间共记录就大约有3500TB数据（假如用家用1T容量的移动硬盘来储存这些数据，移动硬盘的高度叠加在一起有15层楼的高度！而这还只是5天的数据量）。EHT采用专用硬盘来记录数据，再把它们送回数据中心进行处理。研究人员在数据中心对数据做完一系列复杂的校正和处理后，再通过对这些数据经过近两年时间的后期处理和分析，才有了我们看到的人类首张黑洞图像。而今天发布的这张图像，研究团队花了五年时间，用超级计算机合成和分析数据，编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。
　　EHT合作团队将从Sgr A*的2017年EHT观测数据中提取的诸多照片组合制作成一张银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的最终照片。| Event Horizon Telescope Collaboration
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　　飞向银河系中心黑洞 | ESO/MPE/NickRisinger (skysurvey.org)/VISTA/J. Emerson/Digitized Sky
　　提到＂补拍＂，就不得不讲到给黑洞＂拍照＂的两个主要的难点了。一是星系中心附近有大量气体尘埃等干扰射电望远镜进行观察。 银心黑洞的质量大约是太阳的400万倍，距离地球只有26000光年，从宇宙的角度来看非常近。相比之下，M87* 的质量大约是地球的65亿倍，距离地球约5500万光年。然而由于宇宙星系尘埃的干扰，Sgr A*的成像比 M87*困难得多。黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着Sgr A*和M87*高速旋转。这意味着在EHT观测Sgr A*之时，有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。二是视界范围非常小。 银心黑洞的视界范围只有1200万公里，从地球看，它的视直径（张开的角度）只有50个微角秒（10^-6角秒，1角秒=1/3600度）。这是个什么概念呢？就好比在上海看北京的一根头发丝。而M87星系质量更大，中心黑洞质量也更大，是银心黑洞的1500多倍，视界范围是银心黑洞的3000倍，因此即便它距离上远了2000倍，但两个黑洞看起来格外相似。
　　中国天文在此项目中承担的工作？
　　中国天文科学家参与了前期观测技术的预研，对黑洞大小、拍摄图片分辨率极限等研究推测，以及对大量观测数据进行VLBI数据处理。
　　VLBI测轨分系统示意图 | 上海天文台
　　VLBI测轨分系统
　　VLBI测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI数据处理中心（VLBI中心）组成。这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000多千米的巨大的综合口径射电望远镜，测角精度可以达到百分之几角秒。
　　天马望远镜：口径65米，亚洲口径最大的可转动射电望远镜 | 上海天文台
　　2021年4月14日，来自19台望远镜（阵）的数据公开发布。天马射电望远镜参与了其中2017年5月9日的欧洲VLBI网（EVN）170mm观测，并贡献了最高分辨率基线。同时，作为东亚地区灵敏度最高的长毫米波射电望远镜，天马望远镜全程参与2017年3月至5月期间东亚VLBI网（EAVN）在13mm和7mm对M87共14次EHT协同观测。这是国内射电望远镜在7mm工作波长首次成功参加国际VLBI联合观测。
　　M87的多波段观测结果，天马射电望远镜参加其中EVN的170mm和EAVN的13mm及7mm观测。 | Event Horizon Telescope Collaboration
　　EHT关于未来的计划？
　　EHT并未停止观测研究的脚步：就在今年3月份刚完成了有更多望远镜参与的联合观测。EHT的持续扩展和技术革新将使得科学家可以分享更引人注目的照片，包括在不久的将来的黑洞＂电影＂。＂拍摄这样一部银河系中心黑洞的‘电影’，是下一代EHT的追求。＂来自上海天文台的EHT合作国内协调人沈志强说。＂我们正在规划建设中国的亚毫米波VLBI望远镜，以期参与到对Sgr A*的24小时不间断的接力观测中。＂
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　　地球是人类的摇篮，但人类决不会永远躺在摇篮里。
　　—— 齐奥尔科夫斯基（1857.9.17 1935.9.19）
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　　回望地球 | 沈志强（中国科学院上海天文台）
　　资料：上海天文馆