全球第二张黑洞照片，银河系黑洞照片

2022年5月12日，公布了银河系黑洞照片，这张照片一路冲上各大平台热搜，今天我们就来说说它。这就是银河系中心的黑洞。我们终于看到他了。看看银河系的中心，整个20世纪人类都在猜测那里到底有什么。直到2022年，我们终于确认那里是个黑洞。这次我们就来说说这一路是怎么走来的。1933年，美国贝尔实验室的央斯基为了处理无线电通讯被干扰的问题，意外发现是从人马座的方向发出的无线电短波干扰的通讯。而从这个方位看过去，正好会指向银河中心。在这之后，这个无线电波源的位置就被称为人马座A，这是人类第一次使用可见光之外的电磁波段观测银河。自此之后开启的无线电天文学的发展。二战之后，各国纷纷投入这个领域。随着技术进步，在1970到1980年代，天文学家发现人马座A是由多重结构所组成的，周围有大量的尘埃，会遮挡住可见光与紫外线。必须使用波长长的无线电波。四维米波红外线或是波长更短的X射线与伽马射线来观测。1974年，天文学家Bruce balick与Robert brown他们使用更精巧的电波望远镜，发现人马座A的特定地区，释放出明亮而且致密的无线电波。由于是人马座A最活跃的地方，因此以原子激发态star的表示方式命名为人马座A*。

所有观测结果都显示，银河中心简直是金光闪闪瑞气千条啊。每一个波段的电磁波都在那，这之中最耐人寻味的是强烈的X射线，怎么说呢？根据黑体辐射原理，如果一个物体主要放出X射线，那它表面温度大概要在摄氏1000万度以上。比起我们的太阳主要放出可见光表面温度约为摄氏5500度，这个摄氏1000万度以上的天体究竟是何方神圣？1960年代，天文学家姑且把这种令人费解的天体称为类星体。这些天体的吸积盘上高速绕行的物质会强烈的摩擦碰撞，产生高温与磁场，激发强烈的电磁辐射。所以银河中心强烈X射线的来源的确有可能是黑洞，另外一种观测黑洞的方式是长时间记录恒星的轨道。如果发现这些恒星在绕着看不见的天体运行，这个天体就有可能是个黑洞。2020年诺贝尔物理学奖得主Reinhard genzel与Andreas ghez就因此获奖。他们两位的团队分别使用当时世界上最大的光学望远镜，监看银河系中心将近30年之久。他们发现有很多移动速度非常快的恒星环绕着人马座A*转动，其中一颗称为S2的恒星。在距离它最近的轨道上还达到每秒7000公里的速度，而地球在距离太阳最近的轨道上也只有每秒30公里。从S2的完整轨道与速度来计算，人马座A*是一颗拥有400万个太阳质量的天体，而它的半径却只有太阳的17倍。这样极端的密度只有一种可能性，超大质量黑洞。所以银河系中心有个超大质量黑洞，在1990到2000年就成了整个天文界乃至于全世界的共识。至于超大质量黑洞是怎么来的，目前还是个谜。一般认为黑洞是恒星死亡后的产物，但根据观测，这些超大质量黑洞在宇宙大爆炸之后的7亿年就存在了。矛盾的是，那时的宇宙可以说是个幼儿宇宙，重力还在吸引星云成型，已经诞生的恒星也非常稀少，完全无法解释为何会有恒星死亡变成黑洞，这也成了世界各地天文学家争相研究的谜团。

尽管银河中心有黑洞的证据，那么多都只能算间接证据。天文界有十足的把握，却也不敢把话说死。像是2020年的诺贝尔物理学奖，只说人马座A*是超大质量致密天体，那个只差临门一脚的直接证据在哪？什么时候可以像M87黑洞一样拍到他的照片呢？这不就来了吗？2022年5月12号，世界望远镜EHT公布了人马座A的影像。就让我们来解读这个最新的黑洞写真。由于黑洞本身并不发光，我们要观测的是黑洞周围的光线被它吃掉的范围，然而并不是图中整块黑色区域都是黑洞，黑洞本身的大小其实比阴影范围还要小，以下先让我们理清两个概念，黑洞本身的大小说的精确些是事件视界的大小，也就是这个区域以内的物质会直接被吞噬，连光也逃脱不了。所以它是一个全然黑暗的球体，事件视界的半径即为史瓦希半径。只要知道黑洞质量就算得出来，像人马座A*的史瓦希半径是1200万公里，而黑洞吃掉的影像范围指的是事件视界成像在我们的视觉平面上有多大？不止是事件视界本身是全然的黑暗。当光行经事件视界外围也会沿着扭曲的空间弯折，最终落入黑洞，成了我们看不到的那块圆形阴影。根据广义相对论，阴影的半径是史瓦希半径的2.6倍。比起以上两个概念，再让我们来看外围发光的区域吸及积盘。前面讲到黑洞吸积盘上高速绕行的物质会激烈的摩擦碰撞，激发高能的电磁辐射。感谢吸积盘，大多数的黑洞都是这样被发现的。虽然超大质量黑洞是宇宙中的庞然大物，但他们实在离我们太远了。从地球看来还是小到难以察觉，天文影像的解析度将整个天空分成180度，每度有60角分，每角分有60角秒，每角秒再分成1000毫角秒，每毫角秒再分成1000微角秒。人马座A*在天空中有50微角秒，M87黑洞则是42微角秒。有关着他们等同是要从地球上看到月球上的一个甜甜圈，需要一个直径跟地球一样大的望远镜才看得到。所以EHT真的在宇宙中建造了一个跟地球一样大的望远镜？怎么可能！

其实EHT使用了特长基线干涉这项技术。大致上来说，干涉法是天文学的强大工具。两座无线电望远镜的观测资料借着干涉法可以重组出宛如另一台更强的望远镜的观测结果。而且望远镜彼此之间的距离越大，组合出的解析度越好。2009到2017年间，EHT使用了原子钟来同步世界各地共8座电波望远镜。随着地球自转，这些望远镜从不同的位置对准黑洞收集资料，经过运算，大致上可以重建出等同一个地球直径望远镜所观测到的影像。这就好像把一大面镜子打碎，只用其中的几个碎片照镜子一样。虽然资讯不完整，但还是可以大致知道全景。就这样8座望远镜，五年的运算，300人团队跨国合作的结晶，就是我们现在看到的黑洞照片。讲了这么多，你有想过为什么银河系黑洞的影像要足足晚了M87黑洞三年才公布吗？人马座A*比M87黑洞近了2000倍，不是应该更好观测吗？就是因为人马座A*太小了，它的大小只有M87黑洞的两千分之1，M87黑洞外围的物质环绕一周，需要数天甚至数周。而人马座A*的吸积盘轨道那么小，以至于只要短短几分钟就绕了一周。也就是说在同样的曝光时间下，人马座A的气体扰动幅度过大。你可以想象是在拍一只追着自己尾巴跑的小狗，每次拍摄出来的成像很有可能糊成一团。所以收集到的庞大观测信号必须通过世界各地的超级电脑运算，包括美国、加拿大、欧洲打造一个前所未有的黑洞模拟资料库与观测结果做比对，加上M87黑洞，因为有明显的黑洞喷流，至少可以知道它的轴线。反观我们银河系的人马座A*，因为喷流不明显，模拟黑洞的运算相对来说困难很多。最后通过多次模拟调教，费时五年才得以成像，成功解开人马座A*的黑洞谜团。

人马座A*与M87黑洞的观测意义重大，因为根据超大质量黑洞的定义，它们的质量分别处在最小与最大的两端。当两者都具有相似的甜甜圈结构，这代表介于这之间质量的黑洞都八九不离十。我们也就能用同样的特征去推测其他的黑洞，探索未知是为了延伸已知。虽然黑洞的一切不见得与我们的生活直接相关，但黑洞的极端状况能够验证理论。而为了提升观测精准度所开发的各项前沿科技，往往就是推进其他领域的动力。那你的感觉你是觉得非常重要，因为黑洞是人类知识的边界，值得毕生投入，还是觉得不太重要。因为有生之年也到不了，或是你觉得有点好奇，但更期待找到虫洞来场时空之旅，或是你想下次拍到外星人再通知你吧。若是你有其他想法，欢迎留言告诉我们。