在銀河系深處，奇異的事情正在發生。在這個地方，恆星以接近光速的可觀速度繞著明顯的空曠空間飛馳。長期以來，科學家們一直認為只有超大質量黑洞才能解釋恆星的運動，但直到最近，他們才猶豫著直言不諱。例如，當天文學家萊因哈德·根澤爾和安德烈婭·蓋茲分享了 2020 年諾貝爾物理學獎的一部分時，他們的引文明確指出，他們因“發現我們星系中心的超大質量緻密天體”而獲獎，而不是揭示了一個“黑洞”。這個天體被稱為人馬座 A*（“人馬座 A 星”）。
然而，在 2022 年，事件視界望遠鏡 (EHT) 背後的天文學家透過公開銀河系中心超大質量黑洞的首張影像解決了這個問題。這不是該合作組織捕捉到的第一張黑洞照片——那是 2019 年 4 月公佈的標誌性 M87* 影像。但這是他們最想要的影像。人馬座 A* 是我們自己的私人超大質量黑洞，是我們星系圍繞其旋轉的靜止點。
黑洞會捕獲所有落入其中的物質，包括光，因此在某種意義上，它們是看不見的。但是，它們會嚴重扭曲周圍的時空，以至於當它們被髮光的物質流照亮時，這些物質流在它們的引力作用下被撕裂，它們會投下“陰影”。陰影大約是黑洞事件視界（時空邊界，任何穿過它的東西都無法返回）的兩倍半大。
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EHT 透過使用一種稱為甚長基線干涉測量 (VLBI) 的技術捕捉到了這個陰影的影像，該技術結合了多個大陸上的射電天文臺，形成了一個虛擬的地球大小的望遠鏡，這是一種在整個天文學中解析度最高的儀器。2017 年 4 月，EHT 合作組織花費了幾個晚上將該虛擬儀器對準人馬座 A* 和其他超大質量黑洞。然後，科學家們花費數年時間分析原始資料並將其轉換為影像。
花費如此長時間的部分原因是 COVID 大流行對全球的破壞。但更大的挑戰是人馬座 A* 不斷變化。該天文臺之前的目標 M87*，即位於星系 Messier 87 (M87) 中心的黑洞，非常巨大，以至於圍繞它旋轉的物質需要數小時才能完成一個完整的軌道。實際上，這意味著您可以長時間盯著它看，它幾乎不會發生變化。人馬座 A* 的質量不到 M87* 的千分之一，因此它的外觀變化速度快約 1000 倍，因為物質在更緊密、更快的軌道上圍繞黑洞移動。加州理工學院計算機科學家兼天文學家凱蒂·布曼是 EHT 成像工作組的聯合負責人，她說物質圍繞人馬座 A* 旋轉得如此之快，以至於它“每分鐘都在變化”。想象一下拍攝一顆高速子彈的延時照片——這並不容易。
如果說人馬座 A* 的變化無常使其難以觀測，那麼它也使其成為理解黑洞和愛因斯坦廣義相對論（他備受推崇的引力理論）的理想實驗室。透過數十年來使用各種望遠鏡的研究，天文學家已經非常準確地瞭解了人馬座 A* 的基本測量資料（其質量、直徑以及與地球的距離）。現在，他們終於獲得了觀察其演化的能力——觀察它吞噬爆發、閃爍的物質流——即時觀察。
凱蒂·皮克；來源：鮑勃·本傑明，威斯康星大學白水分校（銀河系結構）
早在 20 世紀 60 年代初期，科學家們就開始懷疑銀河系中心潛伏著一個黑洞，不久之後就發現了活動星系核——一些遙遠星系核心的極亮區域，被貪婪吞噬的超大質量黑洞照亮。從我們在地球上的角度來看，活動星系核已成為過去——我們只能在遙遠而古老的宇宙中看到它們。它們都去哪兒了？1969 年，英國天體物理學家唐納德·林登-貝爾認為它們並沒有去任何地方。相反，他說，它們只是睡著了。他預測，休眠的超大質量黑洞在我們周圍幾乎所有旋渦星系的中心沉睡，包括我們自己的星系。
1974 年，美國天文學家布魯斯·巴利克和羅伯特·布朗在西弗吉尼亞州綠岸用射電望遠鏡對準銀河系中心，發現了一個昏暗的光點，他們懷疑這是我們星系的中心黑洞。他們在天空中被稱為人馬座 A 的一片區域中發現了它，該區域位於人馬座星座內。來自新源的輻射正在照亮——或“激發”——周圍的氫氣雲。布朗借鑑了原子物理學的命名法，其中激發態原子用星號標記，並將新發現的光點命名為人馬座 A*。
在接下來的二十年裡，射電天文學家不斷改進他們對人馬座 A* 的觀測，但他們受到缺乏合適的望遠鏡、相對笨拙的技術（想想卷盤式磁帶）以及觀察擁擠的銀河系中心的固有困難的限制。
人馬座 A* 被多層面紗遮蓋。第一層是銀河平面——27,000 光年的恆星、氣體和塵埃，它們阻擋了可見光。無線電波可以不受阻礙地穿過銀河平面，但它們被面紗的第二層——散射屏（空間中湍流的區域，星際介質中的密度變化使無線電波略微偏離航向）所遮蔽。最後一層遮蔽人馬座 A* 的是黑洞本身周圍的下落物質。透過這道屏障窺視有點像剝洋蔥皮。外層物質發出波長較長的光——與 VLBI 傳統上使用的波長相同。使 VLBI 能夠與波長較短的光一起工作將使人們能夠更近距離地觀察接近黑洞事件視界的景象，但這在技術上是一個重大挑戰。
一段時間以來，除了 VLBI 之外，使用其他技術的天文學家取得了更大的成功，穩步收集間接證據，證明人馬座 A* 的“光點”實際上是一個沸騰的超大質量黑洞。在 20 世紀 80 年代，物理學家查爾斯·湯斯和他的同事表明，銀河系中心的氣體雲的運動方式只有在受到某種巨大的、看不見的引力質量的影響下才能解釋得通。在 20 世紀 90 年代，蓋茲和根澤爾各自開始跟蹤銀河系中心巨型藍色恆星的軌道，繪製它們圍繞一個沉重但隱藏的樞軸點運動的軌跡。
與此同時，射電天文學家的狀況有所改善。在 20 世紀 90 年代末和 21 世紀初，新一代短波射電望遠鏡開始上線——這些望遠鏡如果配備大量定製裝置，就可以參與 VLBI 在微波頻率下的觀測，而微波頻率被認為是從人馬座 A* 陰影邊緣發出的。與此同時，導致固態硬碟和每個人口袋裡的智慧手機的計算革命極大地增加了射電望遠鏡網路中每個天文臺可以記錄和處理的資料量。
2007 年，EHT 的一個小型前身利用了這些趨勢，並使用夏威夷、加利福尼亞州和亞利桑那州的三架望遠鏡穿透了人馬座 A* 周圍的面紗。結果遠非影像，但該專案看到了一些東西——據推測，是來自長期尋求的陰影的光。
關於黑洞陰影的第一個預測出現在 1973 年，當時物理學家詹姆斯·巴丁表明，明亮背景前面的黑洞會產生輪廓。他斷定“似乎沒有希望觀察到這種效應”。然而，在 2000 年，天體物理學家海諾·法爾克、富爾維奧·梅利亞和埃裡克·阿戈爾證明，一臺收集微波的地球大小的射電望遠鏡應該能夠看到人馬座 A* 的陰影。
十年後的某個時候，幾十位在這個默默無聞的天文學領域辛勤工作的天文學家和天體物理學家就建立一個虛擬的行星尺度射電望遠鏡來觀察該陰影的正式目標達成一致。該專案的第一次正式啟動會議於 2012 年 1 月舉行，事件視界望遠鏡由此誕生。
五年後，EHT 發展成為一個由 200 多名科學家組成的合作組織，在全球擁有 8 個參與觀測站，EHT 首次真實地嘗試觀測人馬座 A* 的陰影。在 2017 年 4 月的 10 天裡，北美、南美、夏威夷、歐洲和南極洲的望遠鏡共同放大銀河系中心和其他黑洞，收集了 65 小時的資料，這些資料儲存在 1,024 個 8 TB 的硬碟驅動器中，然後運往馬薩諸塞州和德國的超級計算機庫進行關聯。五年後，欣喜若狂的 EHT 研究人員向世界展示了他們的實驗成功了。
凱蒂·皮克（圖形疊加）；埃洛伊·奧梅拉/蓋蒂圖片社（銀河系照片）
在 EHT 合作組織公佈人馬座 A* 影像的當天，《天體物理學雜誌快報》出版了一期專門介紹新成果的專刊。在六篇技術論文中，科學家們展示了我們黑洞的多維肖像。
EHT 影像證實了基本知識。我們早就知道人馬座 A* 距離我們約 27,000 光年。多年來，透過紅外望遠鏡跟蹤人馬座 A* 周圍恆星的軌道，天文學家已經準確測量了黑洞的質量——大約相當於四百萬個太陽。將這兩個數字（距離和質量）代入從廣義相對論得出的方程中，您就可以計算出黑洞陰影的預期大小。果然，影像與預測相符。陰影的直徑為 52 微角秒，這意味著對於我們地球上的人來說，用天文學家的話來說，它的大小相當於“月球上的甜甜圈”。在看到人馬座 A* 和 M87*（質量相差三個數量級的黑洞）的陰影后，科學家們得出結論，這種現象是“黑洞的普遍特徵”。
EHT 的觀測結果，結合錢德拉和 Nu-STAR X 射線望遠鏡以及其他儀器的同步監測，開始解決關於人馬座 A* 環境的長期存在的問題。透過測量從天體發出的光的譜——也就是說，將光分解成其組成頻率——天文學家很久以前就確定，圍繞黑洞旋轉的物質是由電子和質子組成的彌散氣體。我們現在對這些物質的來源有了更好的瞭解。來自錢德拉 X 射線望遠鏡的觀測表明，黑洞從圍繞其旋轉的恆星大氣層中吸取物質。並非吸取很多。人馬座 A* 處於飢餓狀態——黑洞引力捕獲的物質中，只有不到 1% 能到達事件視界。這解釋了為什麼黑洞如此昏暗。儘管人馬座 A* 的質量是太陽的四百萬倍，但亮度只有太陽的 100 倍。
它並非總是如此微弱。似乎早在 60 或 70 年前，人馬座 A* 就經歷了一場饕餮盛宴，一次活躍爆發留下了“光回聲”——光線從附近的塵埃和氣體雲層反射回來——天文學家已經用 X 射線望遠鏡探測到了這些光回聲。它仍然有活躍的時刻。2017 年 4 月 11 日，人馬座 A* 發射出明亮的 X 射線耀斑。最有可能的原因是圍繞黑洞旋轉的物質內部磁場的扭曲和重組——與我們自身恆星中引起太陽耀斑的基本動力相同。直接觀測這些耀斑是未來活動的主要目標。
關於人馬座 A* 還有很多東西需要了解。例如，EHT 的觀測結果表明，與太空中的其他一切事物一樣，黑洞也在旋轉——但我們不知道它旋轉得有多快。未來的觀測還旨在精確展示黑洞如何吞噬下落的物質，並有望製作黑洞隨時間演化的電影。
首張人馬座 A* 的 EHT 圖片僅僅是開始，但它確實告訴我們該天體不是什麼。獨特陰影的存在意味著人馬座 A* 具有事件視界——黑洞的定義特徵。這意味著我們終於知道它不是一顆真正、真正、真正緻密的恆星，也不是蟲洞，也不是裸奇點（一個無限密度點，沒有事件視界遮蔽），也不是理論家多年來提出的任何其他奇異的奇特事物。它只不過是一個超大質量黑洞——仍然是一個非常奇怪的東西——現在呈現在眼前，更接近揭示它的秘密。