在我們星系的中心潛伏著一顆黑暗、跳動的心臟：人馬座 A*，一個質量約為太陽四百萬倍的黑洞。我們無法直接看到這個可怕的物體——只能看到它的陰影，一個黑暗的氣泡，它鑲嵌在“吸積盤”中，吸積盤是由下落的白熾等離子體組成的。從我們在銀河系腹地的位置發現這個光環狀的黑暗球體是幾乎難以置信的困難，就像發現半英里外的一個病毒顆粒一樣。
但得益於一個名為事件視界望遠鏡（EHT）的全球射電天文臺網路，科學家不僅可以瞥見這個發光的光環，還可以繪製其巨大的磁場圖。然而，儘管這些觀測結果可能非常引人注目，但與一些天文學家希望在十年後透過升級後的 EHT 看到的情景相比，它們就顯得相形見絀了。
黑洞是我們偉大宇宙戲劇中最神秘和最重要的角色之一。無論它們是由一顆恆星形成還是重達數十億個恆星質量，它們都被認為驅動著已知宇宙中許多最活躍的現象，從類星體到伽馬射線暴。超大質量黑洞在塑造其宿主星系內的物質結構和流動方面發揮著巨大作用。當超大質量黑洞吸積物質時，以高能輻射形式釋放的能量會加熱並重新分配周圍的氣體——從而影響星系恆星形成的速度等。“從某種意義上說，它們實際上是生命的起源，”哈佛-史密森天體物理中心（CfA）的博士後研究員薩拉·伊薩恩說。
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但到目前為止，只有兩個黑洞進入了 EHT 的高解析度相簿：人馬座 A* 和更大的 M87*，後者是梅西耶 87（或 M87）中心一個 65 億太陽質量的龐然大物，梅西耶 87 是一個距離地球約 5500 萬光年的巨型橢圓星系。第一張快照是在 2019 年 EHT 釋出了一張影像，顯示了環繞 M87* 的等離子環面。2022 年，EHT 緊隨其後釋出了人馬座 A* 的影像。這些突破性的觀測引發了更深入的研究：2021 年，研究人員宣佈，他們已經測量了光在 M87* 內部吸積盤上的偏振方式，這讓他們能夠繪製黑洞周圍的磁場圖。現在，EHT 團隊也對人馬座 A* 做了同樣的事情，並在最近發表在《天體物理學雜誌通訊》上的兩篇研究中詳細介紹了其結果。
“想象一下，你在海灘上，你向外看，你想去游泳。如果你看不到暗流，你可能會遇到很多麻煩，”CfA 天體物理學家謝普·多爾曼，EHT 的創始主任說。“偏振讓我們能夠看到我們一直看到的輝光之下的結構。”
人馬座 A* 和 M87* 之間一千倍的質量差異解釋了為什麼後者的磁性基礎首先被看到。由於我們自己星系中心的黑洞大約比 M87* 小一千倍，因此人馬座 A* 周圍的翻騰漩渦也可能快大約一千倍：可能在 M87* 周圍持續數天的特徵可能在人馬座 A* 周圍短短幾分鐘內來來去去。這種短暫性使得在幾個小時內獲得黑洞清晰的長曝光影像變得尤為棘手。“人馬座 A* 是一個問題兒童般的黑洞，”領導觀測分析方面的伊薩恩說。“我們非常擔心是否能夠獲得影像。但實際上非常令人驚訝；偏振資料最終比我們預測的要平靜得多。”
儘管質量和M87* 突出的標誌性噴流存在差異，但 EHT 在每個超大質量黑洞周圍探測到的偏振光都顯示出驚人的相似性，具有深刻的意義：兩者都擁有由強大、有序的磁場塑造的吸積盤。“我非常興奮，”聖路易斯華盛頓大學的理論天體物理學家亞歷克斯·陳說，他不是 EHT 合作組織的成員。“這是一個非常非常有趣的結果，是人類一直未能獲得的——比如，有史以來第一次。”
隨著 EHT 推進一項雄心勃勃的升級計劃，這個令人驚訝的結果可能僅僅是更宏大故事的開篇，這個故事將揭示潛伏在銀河系、M87 和許多其他附近大型星系中的巨型引力野獸的怪癖。
理智還是瘋狂？
總體而言，EHT 迄今為止的研究指向了天體物理學中長期爭論的答案：黑洞周圍的吸積流傾向於 SANE，還是 MAD？
在 SANE（標準和正常演化）吸積流模型下，黑洞周圍的磁場相對較弱，並且不斷受到吸積盤內旋渦湍流等離子體的衝擊。然而，在 MAD（磁場受阻盤）模型中，磁場可能更強，並在塑造黑洞的吸積盤中發揮主導作用，將等離子體束縛成更有序的排列。
“這幾乎有點像觀看瀑布，”多爾曼說。“有時當條件恰到好處時，你會看到水流在瀑布上平穩流動。它幾乎看起來像玻璃一樣。然後你也會看到，在不同的條件下，湍流中有很多氣泡。”
兩張超大質量黑洞的並排比較圖——左圖是橢圓星系 M87 中的黑洞，右圖是銀河系中的黑洞——由 EHT 在偏振光下捕獲。儘管 M87 的黑洞比我們自己星系中心的巨星大三個數量級，但兩者都具有結構相似的磁場。
事件視界望遠鏡
這兩種不同的模型都暗示了不同的、獨特的偏振特徵。EHT 從人馬座 A* 和 M87* 邊緣拾取的大部分輝光是由所謂的同步加速輻射產生的。當帶電粒子在黑洞周圍的磁場線周圍快速回旋時，它們會發射線偏振光子——而這些光子的偏振角具體模式取決於底層磁場線的結構。在 MAD 的情況下，偏振角應該揭示磁場的宏偉螺旋對稱性。如果 SANE 佔據主導地位，則偏振角會更加混亂。對於 M87* 和人馬座 A*，EHT 的偏振資料表明高度有序的磁結構，這有利於 MAD 模型。
MAD 優勢的轉變也暗示了關於人馬座 A* 以及銀河系的一些有趣的事情：它像其較大的表親一樣，擁有黑洞驅動的噴流的可能性。
在計算機模擬中，具有 MAD 狀磁場的黑洞特別擅長產生巨大的帶電粒子噴流，就像從 M87* 延伸數千光年的宇宙噴燈一樣。由於所謂的 Blandford-Znajek 機制，被強磁化吸積盤環繞的旋轉黑洞可以拖動與其纏繞的磁場線。這個過程在黑洞的兩極上方建立了兩個螺旋狀磁場線錐，就像糖果包裝紙的扭曲末端一樣。然後，帶電粒子可以沿著這些場線加速並遠離黑洞，從而形成噴流。
但是，如果人馬座 A* 曾經擁有或曾經擁有過這樣的噴流，天文學家尚未最終看到它們。相反，他們從多條間接證據中推測出它們可能存在。兩個巨大的等離子體結構，閃耀著高能伽馬射線，被稱為費米氣泡，在銀河系平面之上和之下延伸，默默地證明了銀河系中心的過去動盪。我們星系核心的 X 射線和射電影像揭示了大規模的磁化等離子體絲。去年發表在《天體物理學雜誌通訊》上的一項研究分析了這些絲狀物的方向，並發現了從人馬座 A* 透過銀河系恆星盤發出的噴流狀外流的細微跡象。
目前，EHT 看不到 M87* 的噴流，更不用說人馬座 A* 的任何類似特徵了。這是因為此類噴流在 EHT 使用的射電波長下是無法檢測到的——至少目前是這樣。EHT 團隊正在遊說其雄心勃勃的計劃，以便在未來十年內升級其設施，並徹底改變我們對黑洞的近距離觀察。“我們真的很興奮，想看看這個噴流是否真的存在，”伊薩恩說。“我想我們能夠看到它。”
下一代
下一代事件視界望遠鏡，簡稱 ngEHT，將在合作組織現有的國際陣列中增加一個由大約 10 個新天線組成的專用網路。
EHT 團隊透過結合來自全球毫米波望遠鏡網路的資料來組裝其獨特的影像，所有這些望遠鏡都連續數天觀察同一個超大質量黑洞。透過巧妙而密集的資料處理，比較網路中每個望遠鏡訊號的細微變化，EHT 有效地成為一個地球直徑的射電天線。儘管這個虛擬的地球大小的望遠鏡具有驚人的角解析度，但浩瀚的星際空間是一個破壞者——就目前的形式而言，EHT 只能探測我們星系和 M87 的黑洞；其他所有在具有有利的“盤面朝上”（而不是“邊緣朝上”）對齊的星系中的黑洞都太遠而無法分辨。此外，EHT 的影像實際上是單色的——僅限於一小部分射電波長——而且該專案無法輕鬆地長時間監控其目標。
新的天線將使參與望遠鏡的數量大致增加一倍，同時還增加升級，使 EHT 能夠在兩個或可能三個不同的射電頻率上同時進行觀測。黑洞的多色寬頻射電檢視將是一項科學福音，因為它將使天文學家能夠精細地梳理出磁場的某些影響（隨頻率變化）和愛因斯坦的廣義相對論（不隨頻率變化）。根據去年 10 月發表在《星系》雜誌上的一篇論文，僅新增多個頻率就將使 ngEHT 的解析度比今天的 EHT 提高多達 50%。總而言之，ngEHT 的目標解析度為 15 微角秒：足以從超過四分之三英里外發現單個病毒顆粒。
這些升級還將大大擴充套件 EHT 可以有意義地分辨的黑洞數量，從僅兩個增加到幾十個左右。它甚至可以同時發現兩個黑洞。對夜空中脈衝星進行多年的跟蹤強烈表明，時空嗡嗡作響，發出咖啡館般的引力波低語，這是由遙遠星系中心相互螺旋進入的超大質量黑洞對發出的。原則上，ngEHT 可以空間分辨這樣一對黑洞——看到兩個黑點而不是一個。
此外，該團隊設想使用 ngEHT 製作 M87* 和人馬座 A* 的“電影”，這仍然是迄今為止最有利的目標。“我們希望這些黑洞對於黑洞天體物理學來說，能夠像太陽對於恆星天體物理學一樣有用，”CfA 博士後研究員安吉洛·裡卡特說，他領導了繪製人馬座 A* 磁場的新結果的理論方面。“我們希望非常瞭解這些黑洞，以便我們可以將它們用作其他系統的基線。”
自 2019 年以來，ngEHT 專案已獲得美國國家科學基金會（NSF）超過 1460 萬美元的資助，用於資助新硬體的設計和當前一批參與望遠鏡的升級。去年 9 月，史密森天體物理天文臺選擇了德國公司 mtex 天線技術公司來設計、開發和建造必要的下一代天線。根據多爾曼的說法，完成 ngEHT 將在幾年內花費 8800 萬美元，他和他的同事在 12 月向 NSF 提出了這筆資金申請。
NSF 尚未透露是否會資助全面範圍的 ngEHT。根據該機構的2025 財年預算申請，預計最早也要到 10 月才會公佈這一訊息。
EHT 合作組織甚至對如何拍攝最佳黑洞照片有更大、更長期的想法。即使是 ngEHT 也只能達到如此好的效果；其虛擬望遠鏡的有效集光能力仍然受到我們地球大小的限制。為了獲得更好的解析度，EHT 必須將其直徑擴大到超過地球的直徑——透過將至少一臺望遠鏡放置在太空。
由 CfA 天體物理學家邁克爾·約翰遜領導的 EHT 團隊正在探索一個名為黑洞探測器（BHEX）的太空任務概念。這個想法是將一顆衛星送入地球軌道，作為 EHT 陣列的另一個節點。BHEX 將使陣列的整體解析度提高三到五倍——原則上，這足以讓科學家看到所謂的“光子環”：一個清晰、發光的光圈，由反覆環繞黑洞的光子在逃逸到宇宙中之前形成。
樂觀的效能預測表明，這種基於太空的 ngEHT 擴充套件甚至可以梳理出光子環的極薄亞結構，這些亞結構是由不同光子群在逃逸之前圍繞黑洞完成的軌道數量變化引起的。
這些觀測將為廣義相對論提供極其嚴格的檢驗，同時以前所未有的方式解析黑洞的行為。黑洞周圍的吸積盤究竟是如何表現的？黑洞如何發射它們的噴流？這些問題以及更多問題可以透過 ngEHT 得到解答——以令人瞠目結舌的細節揭示宇宙中最神秘的物體之一。
“當我們第一次啟動 EHT 時，我們甚至不知道黑洞是否可以成像，”多爾曼說。“既然我們已經出色地消除了這種科學風險，現在是時候邁出一大步了。”