拍了两年多的黑洞照片，你读懂了吗？|太阳系|宇宙|引力|星系|银河系|黑洞

内容来自墨子沙龙活动“洞见黑洞”（2024年3月30日）上的演讲。演讲嘉宾是中国科学院上海天文台台长，第十四届全国政协委员沈志强教授。

M87黑洞和银心黑洞照片告诉我们什么？

在2019年事件视界望远镜（EHT）国际合作组织第一次发布来自M87星系的中央黑洞照片时，我们用的题目是“看见黑洞”，因为这是通过无线电波拍摄的、能够真实地看到来自100多年前爱因斯坦广义相对论所预言的“黑洞”这种奇异天体周围的辐射，让我们第一次对黑洞有了直接的视觉上的认识。

在稍早一些时候，“引力波”的发现，是从另外一个角度“听见”了来自黑洞“脉搏”的声音，但今天我们还是聚焦“看见”的黑洞。如果我们以光速开展星际旅行，那么经过将近5500万年，就有可能到达首张黑洞照片的主角或者黑洞的“模特”——M87星系的中央。

这张照片是来自天文观测的真实结果，人类在一次次不断逼近这颗黑洞的中央，最终在2019年把这个质量接近太阳质量65亿倍的黑洞呈现给大家。

从照片上可以直观地看到，首先它有亮有暗，光度比大概10:1，而且整个图像南北不对称，且南边的环比较亮，这是“多普勒增亮效应”。

另外，黑洞的整个环状结构近似一个圆，或者偏离圆不到10%。

总之，M87*的照片直观地告诉我们：第一，它可能就是一个自旋的黑洞。第二，它不对称，黑洞自旋的方向可能是顺时针方向，它在背离着地球旋转。第三，根据广义相对论的预言，环状结构的大小是42微角秒，且它离我们的距离是5500万光年，它的中央的质量大概是太阳质量的65亿倍，这与之前的认知很符合。(注：一个天文单位，就是地球到太阳的距离，一个天文单位距离对应我们张开1角秒的距离叫1 pc，1个秒差距，3.26光年）

2022年5月，EHTC合作组织同步发布了另一张黑洞照片，来自银河系中心超大质量黑洞人马座A*的照片。

通过这两张照片，我们可以直观地对银河系中心黑洞和M87星系中央黑洞的大小进行比较。值得注意的是，银河系中心黑洞的质量相当于400万倍的太阳质量，51.8微角秒，距离地球大概8000 pc，即8 kpc（秒差距），27000光年，其实还不到水星绕日轨道的直径距离。相对来说，银河系中心黑洞的质量和M87星系中心黑洞的质量相差了千倍以上。

黑洞的中央结构非常复杂。当我们从地球上观测黑洞，视线逐渐接近黑洞时，需要穿过层层物质的“遮蔽”才能到达黑洞。而当我们终于“拨云见日”看到黑洞时，就会发现画面中央的小白点才是银河系中心黑洞。

通过两张黑洞照片我们可以获得一个很重要的结论：这两个超大质量黑洞拍摄的结果，与广义相对论预言的黑洞阴影的大小和形状是完全一致的。

从人类的认知来看，如何科学地定义黑洞？

某种程度上，黑洞就是一个事件视界(Event Horizon)，这个视界不同于我们看到的地球的表面或物体表面，所以用Event Horizon Telescope（EHT）——事件视界望远镜去观测，而在这个视界里面，可能没有任何辐射或者反射可以“逃脱”出来。

所以如果我们靠近黑洞、而又“逃跑”得不够快的时候，最后结局就是永远被黑洞“抓”进去。这个概念可以等效于“逃逸速度”。简单来说，“逃逸速度”就是从一个天体的引力范围“飞”出去的速度，例如我们离开地球到太阳系去遨游或者穿越太阳系所需要的最小速度。我们在中学物理学过，按照牛顿力学可以推断第二宇宙速度相对地球的逃逸速度大概是11.2千米/秒，也就是说只有当我们达到这样的速度才能“飞”出地球而不被地球“抓”回来。

这个公式展示了逃逸速度与逃逸物体的质量和表面大小的关系。地球的逃逸速度是11.2千米/秒，那光速是多少？理论上说，实际生活中最快的传播速度即光速，为30万千米/秒。任何物体的速度不可能比光速还大，因此，在黑洞强大的引力下，当一个物体的逃逸速度连光速都无法达到的话，那么它就没法逃离黑洞的引力。

早在100多年前，爱因斯坦的广义相对论就试图把物质与时空有机地结合起来，他认为物质及其运动决定了时空如何弯曲。很快就有科学家提出了广义相对论的数学解，得到了现在黑洞的严格定义。但那时，基本上没有一个认真的科学家会去想象，在宇宙中会真的存在黑洞这样一种天体。

直到1967年，美国著名天体物理学家惠勒提出：一种特殊的引力坍缩致密天体，密度极大、引力极强，从远处看，就像是宇宙中的一个黑色的“洞”，不反射、不发光。这就是一个非常简单的最早的关于黑洞的定义。

那么黑洞该怎么描述？黑洞的特征尺度是“引力半径”，引力半径是黑洞事件视界半径的一半。如果太阳缩到黑洞大小，那么它的事件视界是两倍的引力半径，即3公里，直径是6公里；地球如果变成黑洞，可能就只有2厘米左右。这样的情况，光线的弯曲会产生透镜效应，所以JWST韦伯望远镜拍摄的很多照片中呈弧状的天体的光线，就是反映了有巨大的质量的聚集，导致了引力的弯曲，另外在极靠近黑洞周围，光几乎完全被黑洞吞噬。

真正严肃地探讨黑洞是在上个世纪60年代，当时天文学得到大发展。到现在为止还被大家记住的四大天文发现：类星体、脉冲星、星际分子、宇宙微波背景辐射，后面三项分别拿了四次诺奖，而类星体虽然没有获得诺奖，但是这个工作很重要。

当时用地球上最大的望远镜观测发现，非常遥远的天体的形状分辨不出来，但是这些天体的能量能够从那么遥远的地方传播过来，它的能量应是超大的，如何去解释这些未知的遥远天体的辐射能源？它的名字是Quasar，中文是类星体。

当时有几位科学家提出：如果类星体中心有一个超大质量的黑洞，而这个黑洞在不断地吸食吸积周围的物质，然后把其中一部分以其他的辐射再放出来，从能量守恒角度，轻而易举就能回答遥远的类星体的辐射能量问题。

那么到哪里去找黑洞？我们自然第一个会想到太阳系所在的银河系中心。

而确实在1971年，林登贝尔和英国的马丁·内斯提出：在银河系中心应该存在一个超大质量的黑洞，甚至非常精准地告知如何去找——是用超高角分辨率的甚长基线干涉技术（VLBI）到银河系中心去找一个亮度大概0.5央斯基，角大小不到1角秒的致密天体。如果能找到，就代表着在银河系中心确实有一个超大质量黑洞存在。

说到这里不得不说一下“射电天文学”，因为VLBI是射电天文的技术。在射电天文产生之前的300多年里，人类对宇宙的观测大多是光学观测，包括刚才说的类星体。射电天文学实际上来源于一个偶然的发现。上个世纪30年代，美国贝尔实验室一位叫央斯基的工程师，为了探讨从美国到欧洲的跨大西洋无线电电话有没有干扰，从而提高通话质量，无意中发现有一种声音怎么也去不掉，“嘶嘶嘶”在天空中响。他建造了一座“旋转木马”天线，探测从不同方向来的干扰源。

他排除了地球和太阳系的原因，最后发现它根据地球的自转，定时地会出现在天空的某个方向，他认为这是来自宇宙的信号。而这个方向就是指向了银河系的中心。这标志着射电天文学的诞生。因为在射电天文学出现前的300多年，人类研究宇宙主要是靠光学望远镜，没有其他任何观测手段。正因为射电天文学诞生，打开了人类研究宇宙的另一个窗口。在不到100年间，我们已经在用所有的电磁波来研究天文现象，现在整个电磁波的各个波段都可以观测，比如射电、红外、紫外、X射线、伽马射线。由于这个发现重大，“央斯基”被作为天体射电流量密度的单位。

具体来说，甚长基线干涉测量技术，就是用地球上不同位置上的无线电或者射电望远镜，去接收来自同一方向的信号，两个天线之间的距离就相当于望远镜的口径大小。在接收信号的同时精准记录时间，然后将两个或者多个望远镜的信号在分析处理中心合成。目前中国在做的甚长基线干涉测量，可以看作是三、五千公里口径的望远镜。因此无线电使射电天文观测能力提高到了前所未有的水平。这就是林登贝尔和马丁·内斯提出用这个技术找黑洞的原因，因为其他办法看不透那么窄、那么致密气体的辐射。

银心黑洞观测简史

1971年的文章激发了当时全球包括美国、澳大利亚、欧洲的科学家们都全力分头去找黑洞。

1974年3月份，巴里克和布朗两位科学家利用甚长基线干涉测量，用三个26米天线和一个13米天线，相距大概35公里的距离，成功地发现了在银河系中央确实有一个0.1角秒、非常致密的黑洞。已经确证有一个致密射电源就存在我们银河系中，就是人马座A*。人马座A*的发现促进了全球天文学家对银河系中心的观测。

为什么在可见光波段的银河系中央是漆黑一片？因为我们自己就在银河系当中，从银河系中心发出的1万亿个光子，要穿透大量的尘埃和气体的遮挡到达地球，光线衰减得非常厉害，只有1个光子可以到达地球被看到，天文学叫“消光”。所以在光学波段对银河系中心开展研究是不可能的。但是红外、射电以及高能X射线等波段可以，在银河系中心，其实射电辐射是出奇的强。

上个世纪90年代，我本人也非常荣幸进入这个领域。1997年，首次在波长6厘米到0.7厘米波段，对银河系中心黑洞开展了VLBI观测。但后来发现它并不是非常致密且不可分解的，而是椭圆形或者其他形状，是一个“散射效应”。散射效应就像我们在下雨的晚上看路边的街灯，街灯的光线是比较弥散的。

2005年，我们很荣幸得到了国际上首个3.5毫米波长的银河系中心黑洞照片，它的大小确定为一个天文单位，是太阳到地球的距离。

2017年，全世界都意识到是时候开始做银河系中心黑洞照片的拍摄了。在这之前，天文学家们将更多的时间花在仪器、设备、技术方法的探讨上。2016年，主要在美国的麻省的坎布里奇召开了合作会议，确定了可以开展对黑洞照片的拍摄。

当时国际上已经具备了8台望远镜阵，每台望远镜阵实际上并不大，单个望远镜是10米大口径干涉阵。它的最大特征是，在1.3毫米波长的分辨度可以达到20微角秒。而银河系中心黑洞或者M87星系中心黑洞，阴影大小在50或者40微角秒，意味着可以比较好地被观测了。

因此银心黑洞和M87黑洞已经具备了视界成像条件。从广义相对论理论上已经得到，如果黑洞有大小，那么黑洞的大小也可以观测，它的大小应该取决于它有没有转：如果它不转，是√27RS左右，如果转，大概是4.5RS左右，RS是它的史瓦西半径。

光线经过黑洞周围，会被弯曲，偏离黑洞，但是总有一些来自周边的辐射，会慢慢的汇聚到同一个方向或者朝向地球观测者的方向。而它的大小实际上不是黑洞本身大小，这就是黑洞阴影的由来。按照广义相对论，黑洞阴影不取决于任何理论模型，只要是黑洞，阴影就该存在。形状可以千差万别，但是阴影是肯定存在的，而且黑洞质量越大，阴影看上去就越大。当然距离越近，张角也就越大。所以最后能不能看到，取决于质量和距离的关系。

怎么来看清黑洞的阴影呢？还是要用到甚长基线干涉测量技术（VLBI），分辨率正比于工作的波长，反比于望远镜的大小。波长越短，分辨率越清晰。因此，波长短、口径大，分辨率就高。

需要多大的望远镜？分辨率想要达到20微角秒，在230GHz频率下，波长1.3毫米，口径需要约是1,300万米，相当于地球直径大小。

2017年全世界开始观测这两个主要目标。地球在转，遥远的天体在短期内看不到转动。而地球转到不同地方，不同望远镜可以两两连接形成一条基线。基线数目足够多，用物理或者数学方法，就可以还原黑洞照片。这套技术在当时已经非常成熟，不仅可以观测M87星系中心黑洞，还可以观测其他天体比如3C 273（类星体）。

2017年4月6日，全球共同组网对银河系中心黑洞和M87星系中心黑洞进行观测。因为在整个数据分析处理中，需要用其他数据进行校准。所以观测持续24小时，不同的望远镜不断加入进来。经过将近两年多，终于得到了图像，并在2019年的4月10日，发表了关于M87星系中心黑洞的特刊《APJLetters》。

这一天，全球多地同时召开新闻发布会，展示了人类首张黑洞照片——M87星系中心黑洞照片。2020年基础物理学突破奖颁给了参与事件视界望远镜（EHT）合作的347位研究人员，参与此次国际合作项目的我国大陆学者共有16人，其中有8位来自上海天文台。在首张黑洞照片的1.3毫米的EHT观测期间，上海65米天马望远镜作为东亚VLBI网主要成员参与的2017年3-5月间密集的17次在7毫米、13毫米VLBI协同观测，为M87星系中心黑洞成像的流量校准和银河系中心黑洞成像散射效应校准做出了贡献。

德国的赖因哈德·根泽尔和美国的安德里亚·盖兹，两个团队观测到了绕着银心轨道的S2恒星。根据测算，S2恒星轨道之内有大概400万倍的太阳质量。两个团队因为这个工作分享了2020年诺贝尔物理学奖的一半。他们在报道里没有提到“黑洞”一词，而是提到超大质量致密天体。但是科学界认为其实已经指向了黑洞。

其实整个EHT合作是瞄准银河系中心黑洞开展的。但是对银河系中心黑洞的数据分析处理难度要大于M87星系中心黑洞。所以最先发布的是M87星系中心黑洞的照片，而对银河系中心黑洞，科学家们观测了5次，但有的数据质量并不是最好的。不仅是天气原因，还有两个主要难点：

一是它本身真实的辐射藏在散射后面，或者说银河系中心黑洞的辐射到达地球的过程中，中间有个“散射屏”，让我们从地球上很难直接看到真相，要用某种方式除掉“散射屏”。“辐射屏”的影响跟不同波长有关系，为了找到这个关系，很多望远镜发挥了很好的作用，其中一个就是东亚VLBI网，它在不同的频率去观测来自银河系中心的辐射，然后随着频率观测波长的改正，提供散射效应的校准。上海天文台的65米口径天马望远镜，总的接收面积，是整个东亚VLBI网阵的50%，它的加入极大地提升了看到暗弱信号的能力。

另一个难点是银心是“善变”的，它的辐射强度随着时间在变。给银河系中心黑洞拍照，就像是拍山上变幻莫测的风景，环境不断变化，每时每刻拍出来照片是不一样的，这让大家困惑了很长时间，拍摄照片难度很大。

经过不懈努力，最终在2022年得到了首张银河系中心黑洞的照片。

中国研究团队的两个最新研究

关于M87黑洞的观测研究，中国的团队去年发表了两件很有意义的工作。一是对M87星系中心黑洞拍摄了“全景照”，这里“全景”的概念是不仅看到了中央的黑洞，还看到了由黑洞向外的辐射。这个工作的观测是用了GMVA全球毫米波VLBI阵，工作频率3.5毫米。

对比之前得到的1.3毫米波长的照片，可以发现，环的大小是60多微角秒，而不是42微角秒，大了将近50%，这意味着什么？其中一种解释是因为波长不一样，3.5毫米波长相对较长，它的辐射除了来自黑洞周围的辐射，还有来自黑洞在吸积物质的过程中，在周边反馈的以风的形式或以其他形式发出的辐射。具体情况还有待于后续的观测。

另外一个重要工作，是去年央视的十大科技新闻报道的，首次观测到黑洞自转引起的喷流进动，这个黑洞也是M87星系中心黑洞。这次工作的观测中，由中、日、韩参加的东亚VLBI网做出重要贡献。崔玉竹等在2000年至2022年的观测数据中发现M87星系中心黑洞的喷流呈现周期性摆动，摆动周期约为11年，振幅约为10°。

其中的一种解释是黑洞自旋，假如黑洞自旋方向向上，而喷流因为黑洞自转，物质在喷射方向跟它垂直，但是稍微有一定的夹角导致它的摆动，触发吸积盘和喷流的进动。这进一步证实了黑洞存在自转，且跟M87星系中心黑洞的观测结果是完全一致的。但是黑洞自转的大小是多少，还有待于后续的观测。

探索永无止境

前不久（2024年3月27日），国际EHTC合作团队发布了银河系中心黑洞边缘的螺旋形磁场的证据。图片跟之前的黑洞照片的不同之处在于，有很多类似细线或者像头发丝的线条，这代表偏振的方向。

偏振通常就意味着是在辐射中，有磁场的结构，这其实是一个非常强的证据。对比2020年发布的M87星系中心黑洞的磁场结构，可以发现M87星系中心黑洞和银河系中心黑洞的质量虽然差了上千倍，但不仅它们的阴影长得非常像，而且磁场结构也非常类似，这意味着也许磁场是所有黑洞的共同特征。这又更多地激励我们去开展对超大质量黑洞的更多观测。

从2017年开启对黑洞照片的拍摄，到2022年我们发布了银河系中心黑洞的第一张照片，其实国际上早已开始谋划下一代事件视界望远镜（ngEHT）。下一代事件视界望远镜将进一步提升目前的阵列性能。首先是需要建设更多的亚毫米波天线新台站。由于目前中国还没有亚毫米波的射电望远镜，因此我们也希望能够在中国的西部青藏高原上开建新台站。在上海，我们已经在做5米口径的射电望远镜，用来模拟或者为后面推进15米口径亚毫米波望远镜做准备。

同时，要增大数据记录带宽达到256 G比特每秒（Gb/s），并且努力实现1.3毫米/0.87毫米双波段同时观测。

另外，希望能把黑洞拍成“电影”或者拍成“动画”，可以知道它整个变化过程，努力利用亚毫米波VLBI使我们下一代黑洞成像更加“多彩”。

此外，银河系中心黑洞是在不断变化的，希望能够24小时不间断地实时开展对它的跟踪。同时，除了M87星系中心黑洞和银河系中心黑洞之外，科学家们还希望观测更多黑洞。

从人类所居住的地球，到地球所在的太阳系，再到银河系，都非常遥远。但即使如此，人类永远不会放弃对未知或对宇宙的探索。在此，我特别引用俄罗斯“航天之父”齐奥尔科夫斯基的话“地球是人类的摇篮，但人类绝不会永远躺在摇篮里”。

这里跟大家分享卡尔·萨根对在“旅行者一号”飞离太阳系回望地球时所拍摄到的一个暗淡蓝点发表的感言。这就是我们的地球，也是我们的家园，我们的一切。人类是那么渺小，宇宙那么浩瀚。但我们又是相互连接的，从牛顿的苹果树到爱因斯坦的黑洞阴影，人类探索宇宙的步伐从未停止，而且正在加速。