銀河系中心的謎團終於解開了。今天上午，在世界各地的同步新聞釋出會上，事件視界望遠鏡 (EHT) 的天文學家公佈了人馬座 A* 的首張影像，人馬座 A* 是銀河系中心的超大質量黑洞。這不是該合作組織給我們的第一張黑洞照片——那是 標誌性的 M87* 影像，他們在 2019 年 4 月 10 日公佈了該影像。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，是我們的星系圍繞其旋轉的靜止點。
科學家們長期以來一直認為，隱藏在我們星系混亂中心區域深處的超大質量黑洞是唯一可能的解釋，可以解釋那裡發生的 奇異現象——例如巨型恆星以接近光速的驚人速度 圍繞太空中的一個看不見的物體彈射。然而，他們一直猶豫不決，不願直接說出來。例如，當天文學家萊因哈德·根澤爾和安德烈婭·蓋茲因其在人馬座 A* 上的工作而分享 2020 年諾貝爾物理學獎 時，他們的 引文 中明確指出，他們獲獎是因為“發現我們星系中心的超大質量緻密天體”，而不是揭示“黑洞”。那種謹慎的時代已經過去了。
今天上午，在華盛頓特區國家新聞俱樂部，亞利桑那大學天文與物理學教授、EHT 科學委員會成員費里亞爾·厄澤爾介紹了這張照片，這是一個黑暗的環，由三個閃耀的萬億度氣體結構成。“20 年前我遇到了 [人馬座 A*]，從那時起就愛上了它，並試圖理解它，”厄澤爾說。“但直到現在，我們還沒有直接的照片。”
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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氣體流照亮時，這些氣體流是被其引力抓住的下落物質撕碎的，它們會投射出“陰影”。這個陰影大約是黑洞事件視界的兩倍半大：事件視界是黑洞的邊界和定義特徵，是時空中任何穿過它都無法返回的界線。
EHT 使用一種稱為甚長基線干涉測量法 (VLBI) 的技術捕捉到這個陰影的影像，該技術結合了多個大陸的射電天文臺，形成了 一臺虛擬的地球尺寸望遠鏡，這是一種在所有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這臺虛擬儀器對準人馬座 A* 和其他超大質量黑洞。我們已經看到了這項努力的第一個成品：M87*。該團隊還在同一觀測活動中捕獲了人馬座 A* 影像的原始資料，但將這些觀測結果轉換為實際影像花費了更長的時間。
這是因為人馬座 A* 不斷變化。M87*，即梅西耶 87 星系（或 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，它幾乎不會改變。人馬座 A* 的質量比它小 1000 多倍，因此它的變化速度快了約 1000 倍，因為物質在圍繞黑洞的更緊密、更快的軌道上移動。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* 旋轉的速度非常快，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——這樣做並不容易。這就是為什麼從 2017 年觀測執行中收集的資料中提取人馬座 A* 的清晰影像需要數年的時間。
如果說人馬座 A* 的變化莫測使其難以觀測，那麼它也使其成為未來研究黑洞和愛因斯坦廣義相對論（他神聖的引力理論）的激動人心的實驗室。透過數十年的各種望遠鏡研究，天文學家已經非常精確地瞭解了人馬座 A* 的基本測量值（其質量、直徑和與地球的距離）。現在，他們終於獲得了即時觀察其演化的能力——觀察它吞噬耀斑、閃爍的物質流。
揭開多層面紗
科學家們在 1960 年代初期開始懷疑銀河系中心潛伏著一個黑洞，就在發現活動星系核後不久——活動星系核是一些星系核心中極其明亮的區域，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，它們只是在吃飽飯後睡著了——他預測，休眠的超大質量黑洞在我們周圍的螺旋星系中心沉睡，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·布朗將位於西弗吉尼亞州綠岸的射電望遠鏡對準銀河系中心，發現了一個他們懷疑是我們星系中心黑洞的微弱光點。他們在被稱為人馬座 A 的天空中發現了這個光點。來自新來源的輻射正在照亮——或“激發”——周圍的氫雲。布朗借用了原子物理學的命名法，其中激發的原子用星號標記，並將新發現的光點命名為人馬座 A*。
在接下來的二十年裡，射電天文學家不斷逐步改進他們對人馬座 A* 的觀測，但他們受到缺乏合適的望遠鏡、相對原始的技術（想想卷軸磁帶）和 觀測銀河系中心固有的困難 的限制。
人馬座 A* 被多層面紗所掩蓋。第一層是銀河平面——26,000 光年的氣體和塵埃，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——散射屏所遮蔽，散射屏是空間中一個湍流區域，星際介質中的密度變化會使無線電波略微偏離航向。最後遮蔽人馬座 A* 的是黑洞本身周圍被摧毀的物質。穿透這道屏障有點像剝洋蔥皮。外層發射較長波長的光，因此使用較短波長的光進行 VLBI 工作將能夠實現更接近黑洞事件視界的近距離觀測。然而，這是一個重大的技術挑戰。
使用 VLBI 以外的其他技術的天文學家最初取得了更大的成功，他們穩步收集間接證據，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 1980 年代，物理學家查爾斯·湯斯及其同事表明，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說得通。在 1990 年代，蓋茲和根澤爾獨立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，射電天文學家的處境有所改善。在 1990 年代後期和 2000 年代初期，新一代高頻射電望遠鏡開始上線——這些望遠鏡如果配備大量定製裝置，就可以參與微波頻率的 VLBI 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，計算革命帶來了固態硬碟和每個人口袋裡的智慧手機，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 的一個小型的先行者利用了這些趨勢，並使用了夏威夷、加利福尼亞和新墨西哥州的三個望遠鏡來穿透人馬座 A* 周圍的面紗。他們離成像還差得很遠，但他們看到了一些東西。
科學家們早就知道，在某些情況下，黑洞應該投射出可見的陰影。1973 年，物理學家詹姆斯·巴丁預測，明亮背景前的黑洞會顯示出其輪廓，儘管他認為“似乎沒有希望觀察到這種效應。” 2000 年，天體物理學家海諾·法爾克、富爾維奧·梅利亞和埃裡克·阿戈爾表明，一臺收集微波的地球尺寸射電望遠鏡應該能夠看到人馬座 A* 在其周圍破碎物質環的光芒下的陰影。
十年之後，數十位在這個默默無聞的天文學角落裡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那個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，EHT 由此誕生。
五年後，該團隊發展成為一個由 200 多名科學家組成的合作組織，在全球擁有八個參與天文臺，他們第一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人鏡，對準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 8TB 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。在那之後的五年，欣喜若狂的 EHT 研究人員向世界展示了他們的實驗成功了。“我們為此工作了這麼久，以至於偶爾你需要掐自己一下，”布曼今天上午說。“這是我們星系中心的黑洞！”