作者：左文文 (中國科學(xué)院上海天文臺(tái))

摘要 2019 年4 月10 日，由黑洞事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT）合作組織協(xié)調(diào)召開新聞發(fā)布會(huì)，全球多地同時(shí)發(fā)布了黑洞的首個(gè)直接“視覺”證據(jù)。作為人類捕獲的首張黑洞照片，它展示了5500萬光年外的橢圓星系M87中心超大質(zhì)量黑洞的圖像，看到了黑洞“陰影”和周圍環(huán)繞的新月狀光環(huán)。EHT的此次觀測(cè)結(jié)果從強(qiáng)引力場(chǎng)的角度驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對(duì)論，有助于研究黑洞的吸積以及噴流的產(chǎn)生。文章著重介紹為什么給黑洞“拍照”，選擇哪些黑洞模特“拍照”，如何給黑洞“拍照”，獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過怎樣的后期處理和分析才能生成大家看到的“照片”；此外還將介紹在此次合作項(xiàng)目里的中國貢獻(xiàn)，最后對(duì)黑洞高分辨率成像領(lǐng)域進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 黑洞，視界，廣義相對(duì)論，事件視界望遠(yuǎn)鏡

如果要評(píng)選出2019 年最有價(jià)值和最受期待的照片，那么非圖1 這張照片莫屬。它是人類拍攝的首張黑洞照片，對(duì)應(yīng)的是5500 萬光年外的橢圓星系M87 中心的超大質(zhì)量黑洞M87*的陰影圖片。這張圖片由事件視界望遠(yuǎn)鏡(Event Horizon Telescope，EHT)于2017 年4 月拍攝，2 年后“沖洗”出來。

圖1 M87 星系中心超大質(zhì)量黑洞(M87*)的圖像。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”，周圍的環(huán)狀不對(duì)稱結(jié)構(gòu)是由于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和相對(duì)論性集束(beaming)效應(yīng)造成的。由于黑洞的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，圖片上顯示了上(北)下(南)的不對(duì)稱性(圖片來源：EHT)

2019 年4 月10 日通過協(xié)調(diào)召開全球新聞發(fā)布會(huì)，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目組發(fā)布了這張黑洞照片。作為超大黑洞的初個(gè)直接視覺證據(jù)，它不僅直接確認(rèn)了黑洞的存在，從強(qiáng)引力場(chǎng)的角度驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對(duì)論，也有助于研究黑洞的吸積以及噴流的產(chǎn)生。

下面我們一起來了解這張“黑洞寫真”的小秘密。

一百多年前，1915 年，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，將引力視為時(shí)空扭曲的效應(yīng)^[1]。愛因斯坦的引力場(chǎng)方程是廣義相對(duì)論最凝練的數(shù)學(xué)表達(dá)，場(chǎng)方程等號(hào)的一側(cè)反映了時(shí)空的彎曲情況，用愛因斯坦張量描述；另一側(cè)是時(shí)空中的物質(zhì)能量分布，用能動(dòng)量張量描述。因此引力場(chǎng)方程可以理解為，物質(zhì)能量分布決定了時(shí)空如何彎曲，時(shí)空彎曲決定了物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。一年之后，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西就得到了第一個(gè)精確解，描述了沒有自旋的球?qū)ΨQ天體的引力場(chǎng)方程的解。這便是史瓦西黑洞的穩(wěn)定靜態(tài)解，理論預(yù)言了黑洞的存在。理論預(yù)言，一個(gè)小而重的物體能隱藏在事件視界(event horizon)之內(nèi)，在視界內(nèi)，其引力強(qiáng)大到連光都無法逃脫，這個(gè)物體就是黑洞^[2]。幾乎所有的星系中心都存在黑洞，在那里它們可以成長到太陽質(zhì)量的數(shù)百萬或者數(shù)十億倍^[3]。

在這次拍照前，主要有三類代表性證據(jù)可以表明黑洞存在：

(1)恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對(duì)周圍的恒星、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，可以通過觀測(cè)這種影響來反推黑洞的存在。例如，根據(jù)對(duì)銀河系中心區(qū)域的28 顆恒星長達(dá)16年的觀測(cè)顯示，這些恒星在圍繞著一個(gè)不可見的天體轉(zhuǎn)動(dòng)，該不可見天體在小于0.002 光年的區(qū)域內(nèi)擁有的質(zhì)量達(dá)410 萬倍太陽質(zhì)量(圖2)。鑒于難以找到其他類天體具有這樣的性質(zhì)，天文學(xué)家們認(rèn)為該觀測(cè)證據(jù)證明了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的存在^[4]。

圖2 銀心附近恒星的運(yùn)動(dòng)截圖(圖片來源：Keck/UCLAGalactic Center Group)

(2)根據(jù)黑洞吸積物質(zhì)發(fā)出的光來判斷黑洞的存在。在黑洞強(qiáng)引力的作用下，周圍的氣體就會(huì)向黑洞下落。由于氣體具有一定的角動(dòng)量，因此在距離黑洞幾倍到幾萬倍事件視界的地方形成一個(gè)發(fā)光的腰帶——吸積盤。以超大質(zhì)量黑洞為例，如果把黑洞的吸積盤區(qū)域比作一個(gè)黃豆，普通星系就相當(dāng)于一個(gè)身高5 萬米的巨人，雖說黃豆般大小的活躍黑洞比巨人般的星系小千萬倍，但每秒鐘發(fā)出的能量卻比星系強(qiáng)很多。這種小尺寸、大能量的性質(zhì)使我們推斷它很可能是黑洞^[5]。

(3)黑洞成長的過程“看”見黑洞。LIGO 探測(cè)的五次引力波都對(duì)應(yīng)了恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的并合事件，見證了更小的黑洞借助并合成長為更大黑洞的過程。這類引力波的發(fā)現(xiàn)，也是我們推斷黑洞存在的證據(jù)之一^[6]。

以上都是間接的證據(jù)，而要想直接“看”到黑洞，天文學(xué)家希望拍到更靠近黑洞中心的照片，比如拍攝到黑洞的事件視界附近。

廣義相對(duì)論預(yù)言，因?yàn)楹诙吹拇嬖冢車鷷r(shí)空被引力彎曲，氣體物質(zhì)朝向中心運(yùn)動(dòng)。氣體下落至黑洞的過程中，由于氣體具有角動(dòng)量，在黑洞周圍形成了吸積盤。下落物質(zhì)的引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，中心氣體被加熱至數(shù)十億度，輻射的波段范圍從伽馬射線到光學(xué)、射電波段均存在。這一過程中質(zhì)量轉(zhuǎn)化為輻射能的效率很高，能達(dá)到6%至40%，而太陽內(nèi)部核聚變所實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化能量的效率只有0.7%。觀測(cè)表明，黑洞在吸積氣體的同時(shí)，還會(huì)向外發(fā)出強(qiáng)烈的物質(zhì)和能量噴流。

一百年前，愛因斯坦廣義相對(duì)論提出后不久，便有科學(xué)家探討了黑洞周圍的光線彎曲現(xiàn)象。根據(jù)吸積流的溫度，黑洞周圍的吸積盤可以分成冷吸積盤和熱吸積盤模型^[7]。冷吸積盤模型具有幾何薄、光學(xué)厚的特點(diǎn)，主要輻射機(jī)制是黑體輻射，輻射效率高，所以吸積流溫度偏低。而熱吸積盤模型具有幾何厚、光學(xué)薄的特點(diǎn)，主要輻射機(jī)制包括同步輻射(相對(duì)論性電子在磁場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射)、韌致輻射(電子在電場(chǎng)中加速產(chǎn)生的輻射)、康普頓輻射(光子與具有更高能量的電子發(fā)生碰撞獲得能量所產(chǎn)生的輻射)等，輻射效率低，所以吸積流溫度高。

20 世紀(jì)70 年代，James Bardeen 及Jean-Pierre Luminet 等人對(duì)于一個(gè)具有冷吸積盤的黑洞，計(jì)算出光子捕獲半徑約2.6 倍視界半徑，遙遠(yuǎn)觀測(cè)者看到的黑洞圖像接近于一個(gè)嵌在吸積盤圖像中的細(xì)圓環(huán)(圖3)^[8，9]。

圖3 一種理論模型預(yù)言的具有冷吸積盤模型的黑洞圖像^[9]

20 世紀(jì)90 年代，Heino Falcke 等天文學(xué)家們首次基于廣義相對(duì)論下的光線追蹤程序，預(yù)言對(duì)于具有幾何厚、光學(xué)薄吸積盤的黑洞(我們銀河系中心的黑洞Sgr A*接近于這樣的模型)，受黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)的影響，黑洞吸積或噴流產(chǎn)生的輻射光受事件視界附近的引力彎曲和光子捕獲，造成黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，事件視界看起來就像陰影，陰影周圍環(huán)繞著新月狀的光環(huán)。鑒于黑洞的自旋以及與觀測(cè)者視線方向的不同，光環(huán)半徑對(duì)應(yīng)引力透鏡的光子環(huán)半徑——2.4(快速自旋的黑洞)—2.6 倍(沒有自旋的史瓦西黑洞)史瓦西半徑^[10]。

后來，更多科學(xué)家針對(duì)黑洞成像開展了大量的吸積流和輻射轉(zhuǎn)移的廣義相對(duì)論數(shù)值模擬研究，均預(yù)言黑洞陰影的存在(圖4)^[11—13]。因此，對(duì)黑洞陰影的成像能夠提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。

圖4 左圖：基于廣義相對(duì)論磁流體力學(xué)數(shù)值模擬(GRMHD)的黑洞陰影，預(yù)言將會(huì)看到一個(gè)近似圓形的暗影被光環(huán)包圍；右圖：為了模擬利用EHT觀測(cè)到的圖像，對(duì)左圖進(jìn)行了半高全寬為20 微角秒(uas)的卷積(圖片中的空間尺寸可參考長度比例尺，亮度溫度由圖中示意溫度展示)^[13]

給黑洞拍照，有三個(gè)科學(xué)意義：(1)對(duì)黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)，能在強(qiáng)引力場(chǎng)下驗(yàn)證廣義相對(duì)論，看看觀測(cè)結(jié)果是否與理論預(yù)言一致。(2)有助于理解黑洞是如何“吃東西”的。黑洞陰影區(qū)域非?？拷诙次e盤的極內(nèi)部區(qū)域，綜合這里的信息和之前觀測(cè)獲得的吸積盤更外側(cè)的信息，就能更好地重構(gòu)這個(gè)物理過程。(3)有助于理解黑洞噴流的產(chǎn)生和方向。某些朝向黑洞下落的物質(zhì)在被吞噬之前，會(huì)由于磁場(chǎng)的作用，沿著黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)方向向外產(chǎn)生噴流。之前收集的信息多是更大尺度上的，科學(xué)家難以知道在靠近噴流產(chǎn)生的源頭處發(fā)生了什么^[13]。若能對(duì)黑洞暗影進(jìn)行拍攝，就能助天文學(xué)家一臂之力。

由于黑洞陰影外側(cè)的光環(huán)看起來的尺寸大小(角尺寸)主要與兩個(gè)因素有關(guān)——實(shí)際大小、黑洞到地球的距離，所以在望遠(yuǎn)鏡拍照能力有限的情況下，想要拍攝一張好照片，一定要找一個(gè)“靠譜”的拍照模特，它的角尺寸要看起來很大。而黑洞光環(huán)的實(shí)際大小與黑洞的質(zhì)量有關(guān)，黑洞質(zhì)量越大，黑洞光環(huán)越大；再綜合距離因素，你會(huì)發(fā)現(xiàn)選擇臨近的超大質(zhì)量黑洞是個(gè)明智之選。銀河系中心的黑洞Sgr A*和星系M87 的中心黑洞M87*便是兩個(gè)好模特^[14]。

Sgr A*是地球上能夠觀測(cè)到的角尺寸最大的黑洞，質(zhì)量是(410±60)萬倍太陽質(zhì)量^[15]，對(duì)應(yīng)的視界半徑是1300 多萬千米，其光環(huán)半徑約2.6 倍視界半徑，即3300 多萬千米。它到地球的距離是26000 光年，故光環(huán)的角尺寸約為0.00005 角秒(50 微角秒；1 角秒相當(dāng)于100 萬微角秒)。要知道，從地球上看滿月的尺寸約為30 角分(1 角分等于60角秒)。

對(duì)于黑洞M87*，根據(jù)恒星動(dòng)力學(xué)觀測(cè)結(jié)果估計(jì)的質(zhì)量約66 億倍太陽質(zhì)量^[16]，而根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)的觀測(cè)結(jié)果估計(jì)其質(zhì)量約35 億倍太陽質(zhì)量^[17]。按照66 億倍太陽質(zhì)量來計(jì)算的話，盡管質(zhì)量比Sgr A*大了約1600 倍，但其距離5500 萬光年卻遠(yuǎn)了2000 多倍，使其成為第二大黑洞，黑洞光環(huán)的大小約40 微角秒。按照35 億倍太陽質(zhì)量估算，黑洞光環(huán)的大小約20微角秒。

后文將提及，此次拍攝M87*的EHT 的分辨率是25 微角秒。因此從這個(gè)角度看，M87*的陰影拍攝成功真是幸運(yùn)。如果M87*的質(zhì)量是35 億倍太陽質(zhì)量，EHT將無法成功捕獲它的照片。反過來，此次黑洞照片的捕獲也幫助確定了M87*黑洞的質(zhì)量是(65±9)億倍太陽質(zhì)量^[18]。

拍攝黑洞照片用到的望遠(yuǎn)鏡的靈敏度和分辨本領(lǐng)很重要，這也是描述望遠(yuǎn)鏡實(shí)力的兩大要素。靈敏度強(qiáng)調(diào)探測(cè)微弱射電源的能力；而分辨本領(lǐng)反映了區(qū)分天球上兩個(gè)靠得很近的射電點(diǎn)源的能力，用剛剛能分辨的兩點(diǎn)間張角θ來表示，θ與觀測(cè)波長和望遠(yuǎn)鏡口徑有關(guān)，θ越小，表示分辨本領(lǐng)越高。兩者均對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的口徑提出了要求：望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，其靈敏度越高，分辨本領(lǐng)越強(qiáng)。除了與望遠(yuǎn)鏡的口徑有關(guān)，分辨本領(lǐng)還和觀測(cè)波段有關(guān)。同樣口徑的望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)波長越長，θ越大，對(duì)應(yīng)的分辨本領(lǐng)越低。

由于射電望遠(yuǎn)鏡所接收光的波長是可見光波長的成千上萬倍，為了達(dá)到同樣的分辨率，射電望遠(yuǎn)鏡要比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大千、萬倍。因此，口徑為百米級(jí)的射電望遠(yuǎn)鏡所能達(dá)到的分辨率甚至還遠(yuǎn)不及愛好者們使用的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

天文學(xué)家對(duì)高分辨率的渴求，并沒有止步于射電望遠(yuǎn)鏡單天線。射電干涉技術(shù)的成功實(shí)施使得望遠(yuǎn)鏡陣列的角分辨率相較于單獨(dú)每架望遠(yuǎn)鏡更高，靈敏度也更高。所謂VLBI(Very Long Baseline Interferometry)技術(shù)，就是當(dāng)相隔兩地的兩架射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)來自同一天體的射電波，根據(jù)各自獨(dú)立的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，將天體的射電波記錄下來，然后再將這兩個(gè)記錄一起送入處理機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理，最終分析獲取該天體的射電輻射強(qiáng)度和位置。VLBI 網(wǎng)絡(luò)便是利用這一技術(shù)，讓處于不同地理位置的多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來，組成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，來解決了射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)高分辨本領(lǐng)的難題^[19]。VLBI的角分辨率由望遠(yuǎn)鏡間最大間距(最長基線)決定。假定觀測(cè)波段為1 毫米，一個(gè)長度為1 萬千米的基線能獲得約21微角秒的分辨本領(lǐng)。

要成功成像必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時(shí)間上完全同步，當(dāng)EHT的每個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能在時(shí)間上同步時(shí)，記錄到的信號(hào)就能被完美地修正聚焦。如果鏡面不穩(wěn)定，譬如會(huì)振動(dòng)的話，反射的光線將無法準(zhǔn)確聚焦。EHT利用氫原子鐘來確保時(shí)間紀(jì)錄的穩(wěn)定性。原子鐘能精準(zhǔn)到每數(shù)億年才有一秒的誤差。值得一提的是，該VLBI 技術(shù)也成功應(yīng)用于我國嫦娥探月工程的探測(cè)器的精準(zhǔn)定位。

為了捕獲第一張黑洞圖像，由來自包括中國在內(nèi)的超過200 名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope，EHT)這一重大國際合作計(jì)劃。EHT 觀測(cè)所利用的技術(shù)就是毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3 mm，并且將有望擴(kuò)展到0.8mm^{[20，21]}。

參與此次觀測(cè)的包括位于世界6個(gè)地點(diǎn)的8 個(gè)臺(tái)站(Atacama Pathfinder Experiment， APEX； Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA；IRAM 30-meter Telescope； South Pole Telescope， SPT； James Clark Maxwell Telescope，JCMT；Large Millimeter Telescope，LMT； Submillimter Array， SMA； Submillimeter Telescope，SMT)，其中由于位置的限制，位于南極的SPT望遠(yuǎn)鏡無法觀測(cè)到M87*(圖5)。

圖5 參與EHT觀測(cè)的8 個(gè)VLBI臺(tái)站，其中由于位置限制，南極的SPT望遠(yuǎn)鏡無法觀測(cè)到M87*(圖片來源：EHT)

根據(jù)理論預(yù)言，黑洞周圍氣體在1 mm附近的輻射強(qiáng)度最高，而且1 mm附近是個(gè)比較干凈的觀測(cè)窗口，被同步自吸收等過程影響的程度大大減弱，黑洞周圍氣體的輻射變得透明^[22]。2017年EHT 觀測(cè)Sgr A*和M87*基于的窗口便是1.3 mm，未來還希望用0.8 mm。

既然理論預(yù)言出的照片很早便存在，VLBI技術(shù)也并非近十年才有的，為何黑洞照片現(xiàn)在才誕生呢？主要瓶頸其實(shí)在觀測(cè)窗口——1 mm左右。這種對(duì)觀測(cè)波段的極高要求，其實(shí)就意味著對(duì)望遠(yuǎn)鏡性能的極高要求。

EHT的每架射電望遠(yuǎn)鏡本質(zhì)上就是一架大口徑的拋物面天線。為了保證射電望遠(yuǎn)鏡的天線在觀測(cè)波段內(nèi)正常觀測(cè)，天線的加工精度必須足夠高，其偏離拋物面的程度最多只能與觀測(cè)波長相差5%。因此，可以預(yù)想，觀測(cè)毫米波比觀測(cè)厘米波所要求的天線加工精度更高，加工難度更大。大家也不難發(fā)現(xiàn)，參與EHT的8 臺(tái)望遠(yuǎn)鏡有效口徑大多為十幾米，最大不過73米。

由于EHT此次觀測(cè)的波段在1.3 mm，容易受地球大氣的水汽影響，因此這些亞毫米波望遠(yuǎn)鏡分布在高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點(diǎn)。

在這次拍攝黑洞照片的過程中，多臺(tái)設(shè)備同時(shí)觀測(cè)和記錄，然后將數(shù)據(jù)匯總到一起分析。2017 年4 月份的觀測(cè)中，8 個(gè)臺(tái)站在5 天觀測(cè)期間共記錄約3500 TB的數(shù)據(jù)(1 TB等于1024 GB，相當(dāng)于500 小時(shí)的高清電影)^[23]。因?yàn)閿?shù)據(jù)量過于龐大，不可能靠網(wǎng)絡(luò)傳遞，所以EHT用專用的充氦硬盤來記錄每個(gè)望遠(yuǎn)鏡的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，再把硬盤寄回?cái)?shù)據(jù)處理中心。

超級(jí)計(jì)算機(jī)需要獲取相同的信號(hào)到達(dá)兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)刻差(時(shí)延)及其隨時(shí)間的變化快慢(時(shí)延率)，校正射電波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差，最后綜合兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的位置信息、信號(hào)的強(qiáng)度以及上述兩個(gè)參數(shù)——時(shí)延、時(shí)延率，就可以對(duì)該天體的射電輻射強(qiáng)度和位置進(jìn)行綜合處理分析，最終捕獲首張黑洞圖像。這個(gè)過程的數(shù)據(jù)量之多，處理難度之大都是前所未有的。即使現(xiàn)在人類的運(yùn)算能力已經(jīng)非常強(qiáng)大，這張照片還是花費(fèi)了近兩年時(shí)間“沖洗”。終于在今年4 月10 日晚發(fā)布了首張黑洞照片。

黑洞周圍的亮環(huán)接近圓形， 偏離度小于10%。亮環(huán)直徑為42±3 微角秒，根據(jù)已知的距離5500 萬光年，推知其直徑約1000 億千米。圓環(huán)內(nèi)部即黑洞陰影所在的區(qū)域并非完全黑暗，內(nèi)外的亮度比值小于1：10。周圍的環(huán)狀不對(duì)稱結(jié)構(gòu)是由于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和相對(duì)論性噴流的集束效應(yīng)(beaming)所造成的。根據(jù)噴流與視線方向的夾角為17°^[24]，在共轉(zhuǎn)盤的假設(shè)下，從南北的亮度不對(duì)稱性可以推出，圖像下方的物質(zhì)朝向觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)(從地球看過去做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))。這與電離氣體在20 s 差距(即3500 倍視界半徑)的尺度上的運(yùn)動(dòng)特征一致^{[17，25]}，也與VLBI 在7 mm處觀測(cè)到的轉(zhuǎn)動(dòng)性質(zhì)一致^[24]。

通過比較數(shù)據(jù)生成的黑洞圖片與廣義相對(duì)論磁流體力學(xué)的數(shù)值模擬結(jié)果，確證了M87 中心黑洞的存在，并估計(jì)出黑洞質(zhì)量為65±9 億倍太陽質(zhì)量^[12，18]。

在此次事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)對(duì)黑洞陰影、光環(huán)的高分辨率成像研究中，中國科學(xué)家沒有缺席。根據(jù)EHT項(xiàng)目組發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志通訊》(Astrophysical Journal Letters，ApJL)的六篇文章的作者列表，參與此國際合作項(xiàng)目的科研人員達(dá)200 名之多，其中，來自中國大陸的學(xué)者有16 人，分別為上海天文臺(tái)8 人，云南天文臺(tái)1人，高能物理所1 人，南京大學(xué)2 人，北京大學(xué)2人，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)1 人，華中科技大學(xué)1人。另外，還有部分來自中國臺(tái)灣地區(qū)的學(xué)者。

中國科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞觀測(cè)和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，在EHT國際合作形成之前，就已開展了多方面具有國際顯示度的相關(guān)工作。此次EHT 合作，中國科學(xué)家在早期EHT國際合作的推動(dòng)、EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)、組成EHT的望遠(yuǎn)鏡之一——麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(James Clerk Maxwell Telescope，JCMT)的運(yùn)營及觀測(cè)(圖6)、針對(duì)EHT 望遠(yuǎn)鏡的后期數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面做出了貢獻(xiàn)。

圖6 科學(xué)家們?cè)贘CMT 觀測(cè)室工作的情景(圖片提供：高峰，上海天文臺(tái))

自2015 年2 月起，JCMT 由中國科學(xué)院天文大科學(xué)中心參與的一個(gè)合作機(jī)構(gòu)(EHT 共有13 個(gè)合作機(jī)構(gòu))運(yùn)營，而中科院天文大科學(xué)中心由中國國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和上海天文臺(tái)共同成立。上海天文臺(tái)牽頭組織協(xié)調(diào)國內(nèi)學(xué)者通過該EHT合作機(jī)構(gòu)參與此次EHT項(xiàng)目合作。

雖然位于中國大陸的射電望遠(yuǎn)鏡未參與正式觀測(cè)，但在前期聯(lián)合觀測(cè)(2017 年3—5 月的全球聯(lián)合觀測(cè))中，上海65 米天馬望遠(yuǎn)鏡(圖7)和新疆南山25 米射電望遠(yuǎn)鏡作為東亞VLBI網(wǎng)成員共同參與了密集的毫米波VLBI協(xié)同觀測(cè)，為最終的M87*黑洞成像提供了總流量的限制^[20]。

圖7 上海65 米天馬望遠(yuǎn)鏡(圖片來源：上海天文臺(tái))

參與EHT 觀測(cè)的上海天文臺(tái)專家一致表示，對(duì)M87*黑洞的順利成像絕不是EHT 的終點(diǎn)站：一方面，對(duì)于M87*觀測(cè)結(jié)果的分析還能更加深入，從而獲得黑洞周圍的磁場(chǎng)性質(zhì)，對(duì)理解黑洞周圍的物質(zhì)吸積及噴流形成至關(guān)重要；另一方面，大家翹首以待的銀河系中心黑洞Sgr A*的照片也要出爐了。

EHT是一個(gè)多年國際合作的結(jié)果，科學(xué)家們提供了研究宇宙中最極端天體的新方法。EHT的建設(shè)和今天宣布的觀測(cè)結(jié)果源于數(shù)十年觀測(cè)、技術(shù)和理論工作的堅(jiān)持和積累。這與來自世界各地的研究人員的密切合作是分不開的，是全球團(tuán)隊(duì)合作的典范。

想要利用VLBI 技術(shù)構(gòu)成一個(gè)等效口徑足夠大、靈敏度足夠高的望遠(yuǎn)鏡，需要在全球各地廣泛地分布著足夠多的這類望遠(yuǎn)鏡。過去十年中，技術(shù)的突破、新射電望遠(yuǎn)鏡不斷建成并加入EHT項(xiàng)目、算法的創(chuàng)新等，終于讓天文學(xué)家們打開了一扇關(guān)于黑洞和黑洞視界研究的全新窗口。

EHT 項(xiàng)目本身還將繼續(xù)“升級(jí)”，隨著后續(xù)更多觀測(cè)臺(tái)站( 如Northern Extended Millimeter Array 和Kitt Peak National Observatory) 的加入，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量(靈敏度)的提升，讓我們一起期待，未來看到M87*和Sgr A*的更高清照片，發(fā)現(xiàn)照片背后的黑洞奧秘。

總之，既然已經(jīng)拍到第一張黑洞照片，更高清黑洞成像的春天還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

本文選自《物理》2019年第5期