人类第一张银河系中心黑洞照片
北京时间5月12日21:00，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）项目和中国科学院上海天文台联合公布了银河系中心黑洞的首张照片，其黑洞质量为400万太阳质量，距离我们27000光年。这一成果为银心存在超大质量黑洞提供了最好的观测证据，为理解星系中心的“宇宙怪兽”提供了重要线索。华中科技大学物理学院天文系吴庆文教授作为EHT中国团队成员参与了其中理论分析方面的工作。 银河系中心黑洞的首张照片（EHT合作组织提供） 银河系中心黑洞是离我们最近的超大质量黑洞，从上世纪70年始就发现中心存在致密射电核，上世纪90年始世界不同小组开始利用周围恒星运动测量其质量，因此美国和德国三位科学家获得了2020年诺贝尔物理学奖。这些恒星离黑洞还是比较远（几千引力半径以外），人们更渴望直接探测黑洞的肖像。继2019年公布此次发布的图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞照片外，这是人类的第二张黑洞照片，这两个黑洞来自完全不同的两个星系，但在黑洞边缘又展现出神奇的相似性，这说明黑洞周围物质都被广义相对论这种相同的物理过程控制。 物理学院罗俊院士2014年提出了空间引力波天琴探测计划、2019年成立了中部地区第一个天文系，毫赫兹空间引力波将会探测到宇宙中更多的黑洞合并过程，特别是宇宙早期黑洞合并，对理解黑洞增长以及宇宙学方面形成全新甚至突破性的认识，从而实现中国在黑洞探测方面的新突破。 银河系中心黑洞第一张照片 及银河系探测历史 银河系结构示意图（图片来自网络） 宇宙中有上千亿个星系，每个星系有千亿颗恒星。我们所处的银河系是其中宇宙星系中普通的一员。银河系是一个典型的“棒旋星系”，由内到外分别由银心、核球、银盘和银晕等组成，总质量达1012太阳质量，大约有1000亿到4000亿颗恒星。银河系直径大约10-18万光年 。太阳系的位置在银河系的猎户座旋臂上，距离银河系中心约有2.7万光年，且绕银河系中心旋转，公转一周大约2亿年。 九宫山拍摄银河（图片来自网络） 一个世纪以前，一直认为银河系就是整个宇宙。上世纪20年代，一场大辩论改变了我们的宇宙观。那场大辩论的主题是《宇宙的距离尺度》，辩论的主角分别是哈罗·沙普利（Harlow Shapley）和希伯·柯蒂斯（Heber D. Curtis），在这个问题上，柯蒂斯认为银河系最多只能延伸3万光年，而沙普利认为银河系能延伸到30万光年。虽然当时的辩论并没有直接给出直接的结论，甚至每人均有对错，但通过辩论这种方式理性、科学的推理，对科学的进步具有重大意义。 1974年，美国Bruce Balick和Robert Brown利用美国国家射电天文台（绿岸望远镜）发现了银河系中心存在一个非常亮而致密的射电源，即Sagittarius A*（Sgr A*）。随着类星体的发现，星系中心可能存在黑洞成为一个重要解释。在1994年，红外和亚毫米波段的研究估算出黑洞质量为3百万倍太阳质量。 美国国家射电天文台绿岸望远镜（图片来自网络） 1985年，Lo K. Y.等人利用OVRO射电阵列在测量了银河系中心设电辐射，发现其致密设电核只有166光分大小（光分：光在1分钟走的距离）。1993年到1995年，又有几个小组开始利用更短的毫米波干涉阵测量该射电辐射区大小，发现该设电核大小只有几光分。 1999年，Falcke等人理论计算并指出银河系中心黑洞阴影大约10个引力半径左右，并指出将来高分辨率的毫米波射电望远镜将有机会分辨出其黑洞阴影。 黑洞成像模拟结果（来自Falcke et al. 2009） 2003年中科院上海天文台袁峰研究员等人基于热吸积流计算发现，银心黑洞周围毫米波辐射可能来自热吸积流，而低频射电辐射则来自热吸积流中的非热电子辐射。华中科技大学吴庆文教授等发现近邻低光度活动星系中心黑洞可能都均有类似的特征，即毫米波段的辐射主要来自热吸积流。中国科技大学袁业飞教授和浙江大学曹新伍教授等基于热吸积流进一步计算了黑洞影像。 银河系中心和M87多波段能谱及物理模型，其中毫米波鼓包就来自热吸积流的热电子同步辐射（来自Yuan et al. 2013, Feng et al. 2017） 针对Sgr A*这个神秘射电发射源，中国科学院上海天文台沈志强研究员领导的一个国际天文研究小组，利用国际先进的甚长基线干涉阵（VLBA）于2002年成功获得了Sgr A*在3.5毫米波长上的首个图像，并进而确定该源的真实直径与地球轨道半径相当，即400万倍于太阳质量的Sgr A*所占区域的直径只有1.5亿公里，进一步支持Sgr A*是超大质量黑洞的物理解释。 上世纪90年始世界不同小组开始利用周围恒星运动测量其质量，其中2002年，马克斯·普朗克外空物理学研究所的Reinhard Genzel小组利用智利甚大望远镜VLT进行十余年的观测，公布了一颗恒星S2围绕Sgr A*运动的结果，结果表明银河系中心的天体质量大于4百万倍太阳质量。同时美国Andrea M. Ghez几乎同时也利用夏威夷凯克望远镜对银河系中心黑洞进行监测，得到了类似的结果。测量结果成为了“银河系中心存在超大质量黑洞的最有力的证明”。Reinhard Genzel和Andrea M. Ghez因此赢得了2020年的诺贝尔物理学奖。 银河系中心恒星运动轨迹（来自Keck/UCLA Galactic Center Group） 2004年，在庆祝Sgr A*发现30周年大会上，科学家提出直接测量银河系中心黑洞图像项目，该项目2008年被命名为Event Horizon Telescope。在随后的近10年里，上海天文台路如森研究员小组、Doleman小组、Johnson小组分别在1.3毫米射电及偏振观测上给出了银河系中心黑洞最高分辨率观测图像及偏振性质，虽然还不能完全分辨，但发现跟黑洞预言比较吻合。 2017年，正式组建EHT官方合作组，并利用8台毫米波望远镜对银河系中心黑洞和M87中心黑洞进行了观测，并于2019年4月10日公布了人类首张黑洞照片，实现了人类期望直接看到黑洞的梦想。2021年EHT合作组又进一步发布了偏振观测的照片，成功揭示了黑洞周围磁场分布信息。 M87黑洞照片及偏振观测结果 (EHT合作组织提供) 银河系中心黑洞是离我们最近的超大质量黑洞，人们更期待了解自己家园的这个超级怪兽。银心黑洞比M87质量小了1500倍，但距离也近了近2000倍，所以在空中投影面积大小几乎接近，这一点非常类似我们看到太阳和月亮在空中大小相同。由于我们太阳系处在银道面上，而银道面上存在很多星际介质，从而导致我们很难直接看清楚银河系中心恒星和黑洞等，这一点非常像严重雾霾天气或阴天去看太阳。在这样糟糕情况下，如果要想清晰看到黑洞照片，需要非常小心的考虑到星际电子的散射效应。此外，由于银心黑洞质量较小，黑洞周围物质绕转一周只需要几分钟，所以对于长时间观测数据来说非常不利，如果要想看的清楚，还需要曝光时间短一些，这就需要更高的灵敏度。因此银河系中心的黑洞成像观测数据虽然与M87同步，但数据分析更加困难，也耗费了合作组大量的时间与精力。最终的黑洞照片为检验黑洞周围气体行为及相关模型提供了新的限定，将有机会深入的检验极端条件下的引力。 银河系中心黑洞第一张照片（EHT合作组织提供） 该照片由事件视界望远镜(EHT)合作组织通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。其汇聚了全球 80 个研究机构300多名科学家的奇思妙想才得以实现，其中学者17位，分别来自中科院上海天文台、云南天文台、北京大学、中国科技大学、华中科技大学、学、上海交通大学。 作者简介：吴庆文教授2010年6月加盟我院，此前曾在韩国天文与空间科学研究院从事博士后工作，长期致力于黑洞高能天体物理和大质量黑洞与引力波物理的相关研究。2013年入选教育部“新世纪优秀人才计划”；2016年获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金资助，主持重点基金等多项自然科学基金。目前是国际天文合会会员（IAU），中国天文学会理事、湖北省天文学会副理事长、教育部高校天文专业教学指导委员会委员、华中科技大学天文系常务副主任。
