黑洞在本質上是不可見的，因為它巨大的引力永遠困住了落入其視界範圍內的任何光線。但就在黑洞的不歸路之外，光仍然存在，其圖案就像照片底片一樣，可以揭示黑洞的潛伏存在。現在，一個國際天文學家團隊，已經捕捉到了超大質量黑洞周圍的光線，從而首次揭示了位於銀河系中心的黑洞Sagitarrius
A*（Sgr A*，發音為’sadge-ay-star’）的圖像。
該圖像是由事件地平線望遠鏡（EHT）創建的，這是一個由射電望遠鏡組成的全球網絡，其運動被編排成一個虛擬的、行星大小的望遠鏡來運作。研究人員將EHT陣列聚焦在距離地球27000光年的銀河系中心，穿過了我們星球的大氣層和太陽系外的湍流等離子體。
由此產生的圖像首次揭示了SgrA*，其形式是一個發光的、甜甜圈形狀的光環。這個環形結構正好位於事件視界之外，或者說是光無法逃離的點，是光被黑洞巨大的引力彎曲的結果。光環環繞着一個黑暗的中心，被描述為黑洞的”陰影”。
該環的白熱等離子體溫度估計有100億開爾文，或180億華氏度。從該環的尺寸來看，SgrA*的質量大約是太陽的400萬倍，而且非常緊湊，其大小可以裝入金星的軌道。
這張圖片是對我們銀河系中心確實存在一個黑洞的首次視覺確認。天文學家以前曾觀察到恆星圍繞着一個看不見的、巨大的、密度極高的物體旋轉–所有的跡象都指向一個超大質量的黑洞。今天披露的圖像提供了第一個視覺證據，證明該物體是一個黑洞，其尺寸與基於愛因斯坦廣義相對論的預測一致。其結果是我們對一般黑洞，特別是我們銀河系中心的黑洞的理解的一個里程碑。
今天，在《天體物理學雜誌》特刊上的一些論文中介紹了該圖像和相應的分析結果。這些發現是來自全球80個機構的300多名研究人員的工作成果，他們共同組成了事件地平線望遠鏡合作組織。
追逐黑洞的尾巴
在獲得SgrA*的新圖像之前，EHT於2019年獲得了有史以來第一張黑洞的圖像。那張開創性的圖像是M87*，位於Messier 87中心的超大質量黑洞，這個星系距離地球5300萬光年。
與SgrA*相比，M87*是一個巨人，其質量為65億個太陽（比銀河系中心的黑洞重1000多倍），其大小可以輕鬆吞下整個太陽系。而M87*的圖像卻顯示了一個明亮的環形結構，很像SgrA*。這兩幅圖像之間的相似性證實了廣義相對論的另一個預言：所有的黑洞外形都是一樣的，無論其大小如何。
這兩個黑洞的圖像是基於EHT在2017年拍攝的各自來源的數據。然而，由於SgrA*的體積較小，且位於我們的銀河系內，因此花了更多的時間和精力來使其成為焦點。
天文學家懷疑，熱氣體以同樣的速度繞過兩個黑洞，速度接近光速。由於SgrA*比M87*小1500倍，它的光速更難分辨。(拍攝一隻追着自己尾巴跑的狗比拍攝一隻以同樣速度繞着大公園跑的狗更難）。
M87*位於一個與我們的星系偏離的星系中，這使得它更容易被看到。SgrA*位於我們自己的星系中，在成像上這也是一個挑戰。SgrA*位於銀河系平面的中心，那裡有一些受熱的氣體或湍流等離子體，它們可以扭曲來自黑洞的任何到達地球的輻射。這就像試圖看穿噴氣式發動機吹出的暖空氣一樣，這是非常複雜的，這就是為什麼生成這個圖像需要更長的時間來解決。
跳躍的數據
為了捕捉到SgrA*的清晰圖像，天文學家們協調了世界各地的八個無線電觀測站，作為一個虛擬的望遠鏡，他們在2017年4月的幾天里將其指向了銀河系的中心。每個天文台都使用Haystack天文台開發的高速記錄器記錄入射光數據。這些記錄器被設計為以每秒4千兆字節的速度處理大量的數據。
在收集了總共5PB的數據后，包括對SgrA*和M87*的觀測，裝滿記錄數據的硬盤被運走，一半運到MIT Haystack天文台，另一半運到德國的馬克斯-普朗克射電天文研究所。這兩個地方都有重型裝備：巨大的超級計算機，用於”關聯”數據，比較不同觀測站之間的數據流，並將數據轉換為行星大小的望遠鏡可以看到的信號。
然後，他們對數據進行校準–這是一個細緻的過程，剔除來自儀器效應和地球自身大氣層等來源的噪音，以便有效地將虛擬望遠鏡的”鏡子”對準SgrA*的特定信號。
然後，成像小組承擔了將這些信號轉化為黑洞的代表性圖像的任務–這是一個比M87*成像更棘手的挑戰，M87*是一個更大、更穩定的源，在幾天內變化很小，而”SgrA*在數分鐘內就會發生變化，所以數據到處跳動，”EHT合作成員、Haystack的研究科學家Vincent Fish說。”這就是這個黑洞成像的基本挑戰。”
領導EHT校準和成像團隊的Akiyama開發了一種新的算法，與那些用於對M87*進行成像的算法配對。研究人員將數據輸入每個算法，以生成數以千計的黑洞圖像。他們對這些圖像進行了平均，生成了一張主圖像，顯示出SgrA*是一個發光的環狀結構。
在未來幾年裡，科學家們預計隨着EHT的擴大，在其虛擬陣列中增加更多的望遠鏡，將收集更多的SgrA*和其他黑洞的數據。隨着望遠鏡陣列的擴大和完善，為Sgr A*開發的技術為未來壯觀的EHT圖像和科學鋪平了道路。
“下一步是，我們能否獲得這個環的更清晰的圖像？”Akiyama說。”現在我們只能看到最亮的特徵。我們希望也能捕捉到更微弱的子結構。然後我們期望看到更詳細的內容，並且與第一個甜甜圈有明顯的不同。”