天文大消息！刚刚，银河系中心黑洞首张照片发布，这个黑洞离我们

　　今晚，在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上，。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”的行为提供了宝贵线索。该照片由事件视界望远镜合作组织这个国际研究团队，通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。

　　据科普中国，3年前，人类拍摄的首张黑洞照片亮相。

　　而今天，

　　此前，诺贝尔物理学奖颁给了“银河系中心黑洞的发现”。今天EHT发布的照片提供了该超大质量黑洞存在的直接视觉证据。

　　银河系中心黑洞距离地球有二万七千光年之遥

　　据央视新闻，这是一张期待已久的关于银河系中心的大质量天体的真面目肖像。科学家之前已观测到众多的恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的和质量极大的天体作轨道运动。这已强烈暗示这个被称作人马座A*的天体是一个黑洞，而今天发布的照片则提供了首个直接的视觉证据。

　　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。照片上显现出的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。

　　
 

　　银河系中心黑洞距离地球有二万七千光年之遥，为了拍这张照片，研究团队创建了观测利器EHT，由分布在全球六地的八个射电望远镜组成的一个犹如地球那么大的虚拟望远镜。EHT对Sgr A*开展了多个晚上的观测，每次连续采集了好几个小时的数据，就如同相机的长时间曝光。

　　据科普中国，上世纪50年代后期，随着全天射电源普查的开展，人们发现有一类强烈射电源的光学对应体看起来似乎是恒星，但是却有着让人难以理解的光学光谱，它们被天文学家称为类星体。1963年，Schmidt通过在类星体3C 273的光谱中识别出强红移的氢的巴尔末线，一举解决了这个难题, 他的结论是：3C 273不是恒星，而是一个遥远星系的极其明亮的核。

　　由于大多数类星体具有非常大的红移，距离人类非常遥远，并且由于这些类星体的亮度与银河系中的普通恒星差别不大, 因此它们有着巨大的能量，其辐射的功率可超过一个普通星系辐射总功率的成千上万倍。然而，它们的光度却能在几天到几周内就会发生显著的变化，表明类星体的尺度只有几光天到几光周的大小。那么问题来了，类星体的巨大能量来自哪里呢？

　　类星体发现后, 人们陆续提出各种模型来解释类星体的产能机制。在这些模型中， 超大质量黑洞吸积物质产生的辐射逐渐成为被广为接受的解释。

　　上世纪60年代末，Lynden-Bell提出，许多星系在其中心都有一个质量高达百万倍到几十亿倍太阳质量的超大质量黑洞。他断言这样一个超大质量的黑洞是过去活跃的 类星体阶段的残余物。同样，银河系也不应例外。两年后, Lynden-Bell 和 Rees论证了银河系中心存在一个超大质量的黑洞, 并提出甚长基线干涉测量技术很快就能确定银河系中心黑洞的大小。

　　人们进一步理解了类星体的本质，不过探测与银河系中心黑洞相联系的致密射电源却经历了一个艰难而又妙趣横生的过程。

　　1974年2月，Balick & Brown用美国的绿岸射电干涉仪正式探测到对应银河系中心黑洞的致密射电源。此后，人们对该致密射电源提出了不同的命名，但最终只有Sgr A* 这一名称经受住了时间的考验而被人们接受。Brown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。

　　毫不夸张的说，此后的几十年间，人们直接探测该黑洞的渴望不断地助推技术的发展，使人类能够一步步地“接近”黑洞的边缘。

　　。

　　由于散射效应的主导，Sgr A*在厘米及更长的波段所观测到的形状呈现为一个东西方向的椭圆高斯，其大小跟观测波长的平方成正比。在VLBI技术发展的初期，由于当时射电望远镜的数目非常有限，需要在“正确”的观测波长并在“合适”距离的射电望远镜之间才能够探测到Sgr A*。

　　由于散射效应会随着观测频率的升高迅速减小，因而，

　　实际上，在波长长于几厘米时，观测到的Sgr A*的结构完全是由散射主导的。Sgr A*的内禀结构才逐渐显现出来。随着观测波长不断减小到毫米波段，一方面干涉仪的分辨本领会不断增加，另一方面更容易克服同步辐射自吸收引起的不透明度影响。这些都有利于逐渐看清越来越靠近黑洞并由其引力弯曲所决定的环状的毫米波辐射结构。

　　对可见度数据直接进行模型拟合，通常采用一些几何模型，比如二维的圆或椭圆高斯形状、环状、盘状或新月状模型等。这里模型的复杂程度由数据的特征来决定。

　　对可见度数据进行成像，再对图像进行模型化分析，得出相关的模型参数，从而对所观测的辐射结构进行量化描述。

　　两种方法各有优劣，模型拟合比较直接，尤其在望远镜数目不多、基线覆盖不足以成像的情况下就能得出一些比较可靠的结论，典型的案例是Whitney等在只有两个望远镜的观测数据的情况下，就采用了模型拟合的方法发现了3C 279中的视超光速现象。这也是很多早期观测采用此方法的原因。但这往往会由于模型比较简单而损失了细节。相反，成像的结果会比较直观，但成像过程又会带来一些额外的不确定性。在很多工作中，这两种方法会同时使用，以便获得最可靠的结果，这些过程往往又与数据的校准结合在一起。

　　随着VLBI技术及观测设备的发展，人们对Sgr A*开展了一系列的高辨率观测，尤其是近二十多年来在毫米波段开展的观测。

　　首次的成像结果由 Krichbaum 等于1993年获得，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。尽管后续有不少在该波段的观测，但由于数据校准中存在较大不确定性，人们一直未能准确地确定并扣除散射效应的影响，进而无法获知Sgr A*的内禀结构。其中一个主要原因是，参加观测的绝大多数望远镜不是专门为毫米波观测而建造，且多位于北半球，在观测位于南天的Sgr A*时受到严重的大气影响。2004年，Bower等通过利用闭合幅度的方法消除数据校准中的不确定性，在确定并扣除散射效应之后测量了Sgr A*的内禀大小。

　　Rogers等于1994年首次探测到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。

　　
 

　　图二：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

　　随着位于南半球的毫米波望远镜的加入，近年来的观测已能够更好地限制Sgr A*的二维内禀结构及星际散射的性质。

　　，由于毫米波望远镜数目的限制一直未能实现线年，Krichbaum等首次在位于法国和西班牙的两个IRAM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确定比一个圆高斯更复杂的模型。Fish等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 等发现Sgr A*在1毫米的辐射结构具有不对称性。位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜加入到1毫米VLBI阵列后，路如森等于2018年发现Sgr A*的观测数据已不能再用单一的高斯模型来解释。通过考虑较此稍复杂的模型，发现在总体为50微角秒的结构内存在更为致密的亚结构。尤其是与观测数据最符合的新月状模型，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。

　　
 

　　图三：Sgr A*的致密结构的模型示意图。

　　由于EHT合作早在2019年就公布了首次M87黑洞成像的结果，此次对银河系中心黑洞的首次成像可以说是人们期待已久的。然而人们不禁会问，既然EHT在2017年4月几乎同时观测了M87* 和Sgr A*, 后者的“照片”为什么如此耗时呢？

　　一方面，除了前面提到的星际散射中的衍射效应造成的角致宽之外，还存在折射散射的效应，其结果是引入所谓的“折射噪声”会叠加在Sgr A*本身所对应的可见度幅度信息上。

　　另一方面，更加重要的原因是，Sgr A*靠近黑洞处的射电辐射的图案和亮度会表现出快速变化，远远短于通常VLBI成像所需要的观测时间。因此对这样的变源进行VLBI图像重建违反了地球自转孔径综合成像的基本假设。

　　加之目前的望远镜基线覆盖仍然比较稀疏，这些因素一起使得重建Sgr A*在事件视界尺度上的图像面临巨大挑战，EHT合作团队不得不开发更复杂的工具来消除散射以及这种结构变化对成像所带来的影响。由于VLBI重建的图像通常不具有唯一性，EHT合作团队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。利用这些最优参数集，我们发现所得到成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。这种多样性是由于EHT目前仍然有限的望远镜基线覆盖再加上Sgr A*的结构变化所造成的。

　　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。这种多样性是由于EHT目前仍然有限的望远镜基线覆盖再加上Sgr A*的结构变化所造成的。

　　所有重建的图像可根据其形态分为四个子集，其中三个子集中的图像呈现出环状的结构，只是环的亮度沿方位角的分布不同，而第四个子集中包含了相对数目较小的图像，尽管它们也能与数据吻合，但看起来不像环形。

　　。

　　
 

　　图四：上方为EHT从2017年4月7日的观测中获得的Sgr A*的代表性图像。下方四个图从左到右展示了三个呈现环状结构的图像子集的平均图像和一个非环状结构的图像子集的平均图像。图中的柱状图显示了属于每个子集的图像的相对数量，其高度代表了每个子集对最终照片的相对贡献。

　　基于对望远镜基线覆盖的情况、时变特征、以及星际散射性质的理解，并结合仿真数据，我们可以说EHT观测数据有力地证明了Sgr A*的图像确实由一个直径为50微角秒的环状结构主导，这与质量为4百万倍太阳质量，距离地球为8kpc的黑洞所预期的“阴影”的大小非常一致。

　　并首次将10^3-10^5个引力半径尺度上的恒星轨道动力学测量的预言与事件视界尺度上的图像和时变联系起来。更进一步地，与超大质量黑洞M87的EHT成像结果比较，表明了广义相对论的预言在跨越三个质量量级系统中的一致性，充分证明了

　　作为离人类最近的超大质量黑洞，Sgr A*为我们提供了一个检验广义相对论和探索黑洞天体物理的独特实验室。随着此次首张银河系中心黑洞照片的发布，后续的工作将通过偏振观测数据来研究该黑洞周围的磁场，并近一步研究与观测到的X-射线耀斑活动有关的结构变化。

　　2017年之后，随着新望远镜的加入以及数据记录带宽的不断增加，EHT阵列的灵敏度也在不断得到提升，对Sgr A*这一变源的成像能力在不断增强。

　　在这一方面，若建设位于中国的亚毫米波VLBI望远镜并参加相关观测，将会起到很关键的作用。