在我们星系的中心潜伏着一颗黑暗、跳动的心脏：人马座 A*，一个质量约为太阳四百万倍的黑洞。我们无法直接看到这个可怕的物体——只能看到它的阴影，一个黑暗的气泡，它镶嵌在“吸积盘”中，吸积盘是由下落的白炽等离子体组成的。从我们在银河系腹地的位置发现这个光环状的黑暗球体是几乎难以置信的困难，就像发现半英里外的一个病毒颗粒一样。
但得益于一个名为事件视界望远镜（EHT）的全球射电天文台网络，科学家不仅可以瞥见这个发光的光环，还可以绘制其巨大的磁场图。然而，尽管这些观测结果可能非常引人注目，但与一些天文学家希望在十年后通过升级后的 EHT 看到的情景相比，它们就显得相形见绌了。
黑洞是我们伟大宇宙戏剧中最神秘和最重要的角色之一。无论它们是由一颗恒星形成还是重达数十亿个恒星质量，它们都被认为驱动着已知宇宙中许多最活跃的现象，从类星体到伽马射线暴。超大质量黑洞在塑造其宿主星系内的物质结构和流动方面发挥着巨大作用。当超大质量黑洞吸积物质时，以高能辐射形式释放的能量会加热并重新分配周围的气体——从而影响星系恒星形成的速度等。“从某种意义上说，它们实际上是生命的起源，”哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的博士后研究员萨拉·伊萨恩说。
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但到目前为止，只有两个黑洞进入了 EHT 的高分辨率相册：人马座 A* 和更大的 M87*，后者是梅西耶 87（或 M87）中心一个 65 亿太阳质量的庞然大物，梅西耶 87 是一个距离地球约 5500 万光年的巨型椭圆星系。第一张快照是在 2019 年 EHT 发布了一张图像，显示了环绕 M87* 的等离子环面。2022 年，EHT 紧随其后发布了人马座 A* 的图像。这些突破性的观测引发了更深入的研究：2021 年，研究人员宣布，他们已经测量了光在 M87* 内部吸积盘上的偏振方式，这让他们能够绘制黑洞周围的磁场图。现在，EHT 团队也对人马座 A* 做了同样的事情，并在最近发表在《天体物理学杂志通讯》上的两篇研究中详细介绍了其结果。
“想象一下，你在海滩上，你向外看，你想去游泳。如果你看不到暗流，你可能会遇到很多麻烦，”CfA 天体物理学家谢普·多尔曼，EHT 的创始主任说。“偏振让我们能够看到我们一直看到的辉光之下的结构。”
人马座 A* 和 M87* 之间一千倍的质量差异解释了为什么后者的磁性基础首先被看到。由于我们自己星系中心的黑洞大约比 M87* 小一千倍，因此人马座 A* 周围的翻腾漩涡也可能快大约一千倍：可能在 M87* 周围持续数天的特征可能在人马座 A* 周围短短几分钟内来来去去。这种短暂性使得在几个小时内获得黑洞清晰的长曝光图像变得尤为棘手。“人马座 A* 是一个问题儿童般的黑洞，”领导观测分析方面的伊萨恩说。“我们非常担心是否能够获得图像。但实际上非常令人惊讶；偏振数据最终比我们预测的要平静得多。”
尽管质量和M87* 突出的标志性喷流存在差异，但 EHT 在每个超大质量黑洞周围探测到的偏振光都显示出惊人的相似性，具有深刻的意义：两者都拥有由强大、有序的磁场塑造的吸积盘。“我非常兴奋，”圣路易斯华盛顿大学的理论天体物理学家亚历克斯·陈说，他不是 EHT 合作组织的成员。“这是一个非常非常有趣的结果，是人类一直未能获得的——比如，有史以来第一次。”
随着 EHT 推进一项雄心勃勃的升级计划，这个令人惊讶的结果可能仅仅是更宏大故事的开篇，这个故事将揭示潜伏在银河系、M87 和许多其他附近大型星系中的巨型引力野兽的怪癖。
理智还是疯狂？
总体而言，EHT 迄今为止的研究指向了天体物理学中长期争论的答案：黑洞周围的吸积流倾向于 SANE，还是 MAD？
在 SANE（标准和正常演化）吸积流模型下，黑洞周围的磁场相对较弱，并且不断受到吸积盘内旋涡湍流等离子体的冲击。然而，在 MAD（磁场受阻盘）模型中，磁场可能更强，并在塑造黑洞的吸积盘中发挥主导作用，将等离子体束缚成更有序的排列。
“这几乎有点像观看瀑布，”多尔曼说。“有时当条件恰到好处时，你会看到水流在瀑布上平稳流动。它几乎看起来像玻璃一样。然后你也会看到，在不同的条件下，湍流中有很多气泡。”
两张超大质量黑洞的并排比较图——左图是椭圆星系 M87 中的黑洞，右图是银河系中的黑洞——由 EHT 在偏振光下捕获。尽管 M87 的黑洞比我们自己星系中心的巨星大三个数量级，但两者都具有结构相似的磁场。
事件视界望远镜
这两种不同的模型都暗示了不同的、独特的偏振特征。EHT 从人马座 A* 和 M87* 边缘拾取的大部分辉光是由所谓的同步加速辐射产生的。当带电粒子在黑洞周围的磁场线周围快速回旋时，它们会发射线偏振光子——而这些光子的偏振角具体模式取决于底层磁场线的结构。在 MAD 的情况下，偏振角应该揭示磁场的宏伟螺旋对称性。如果 SANE 占据主导地位，则偏振角会更加混乱。对于 M87* 和人马座 A*，EHT 的偏振数据表明高度有序的磁结构，这有利于 MAD 模型。
MAD 优势的转变也暗示了关于人马座 A* 以及银河系的一些有趣的事情：它像其较大的表亲一样，拥有黑洞驱动的喷流的可能性。
在计算机模拟中，具有 MAD 状磁场的黑洞特别擅长产生巨大的带电粒子喷流，就像从 M87* 延伸数千光年的宇宙喷灯一样。由于所谓的 Blandford-Znajek 机制，被强磁化吸积盘环绕的旋转黑洞可以拖动与其缠绕的磁场线。这个过程在黑洞的两极上方创建了两个螺旋状磁场线锥，就像糖果包装纸的扭曲末端一样。然后，带电粒子可以沿着这些场线加速并远离黑洞，从而形成喷流。
但是，如果人马座 A* 曾经拥有或曾经拥有过这样的喷流，天文学家尚未最终看到它们。相反，他们从多条间接证据中推测出它们可能存在。两个巨大的等离子体结构，闪耀着高能伽马射线，被称为费米气泡，在银河系平面之上和之下延伸，默默地证明了银河系中心的过去动荡。我们星系核心的 X 射线和射电图像揭示了大规模的磁化等离子体丝。去年发表在《天体物理学杂志通讯》上的一项研究分析了这些丝状物的方向，并发现了从人马座 A* 通过银河系恒星盘发出的喷流状外流的细微迹象。
目前，EHT 看不到 M87* 的喷流，更不用说人马座 A* 的任何类似特征了。这是因为此类喷流在 EHT 使用的射电波长下是无法检测到的——至少目前是这样。EHT 团队正在游说其雄心勃勃的计划，以便在未来十年内升级其设施，并彻底改变我们对黑洞的近距离观察。“我们真的很兴奋，想看看这个喷流是否真的存在，”伊萨恩说。“我想我们能够看到它。”
下一代
下一代事件视界望远镜，简称 ngEHT，将在合作组织现有的国际阵列中增加一个由大约 10 个新天线组成的专用网络。
EHT 团队通过结合来自全球毫米波望远镜网络的数据来组装其独特的图像，所有这些望远镜都连续数天观察同一个超大质量黑洞。通过巧妙而密集的数据处理，比较网络中每个望远镜信号的细微变化，EHT 有效地成为一个地球直径的射电天线。尽管这个虚拟的地球大小的望远镜具有惊人的角分辨率，但浩瀚的星际空间是一个破坏者——就目前的形式而言，EHT 只能探测我们星系和 M87 的黑洞；其他所有在具有有利的“盘面朝上”（而不是“边缘朝上”）对齐的星系中的黑洞都太远而无法分辨。此外，EHT 的图像实际上是单色的——仅限于一小部分射电波长——而且该项目无法轻松地长时间监控其目标。
新的天线将使参与望远镜的数量大致增加一倍，同时还增加升级，使 EHT 能够在两个或可能三个不同的射电频率上同时进行观测。黑洞的多色宽带射电视图将是一项科学福音，因为它将使天文学家能够精细地梳理出磁场的某些影响（随频率变化）和爱因斯坦的广义相对论（不随频率变化）。根据去年 10 月发表在《星系》杂志上的一篇论文，仅添加多个频率就将使 ngEHT 的分辨率比今天的 EHT 提高多达 50%。总而言之，ngEHT 的目标分辨率为 15 微角秒：足以从超过四分之三英里外发现单个病毒颗粒。
这些升级还将大大扩展 EHT 可以有意义地分辨的黑洞数量，从仅两个增加到几十个左右。它甚至可以同时发现两个黑洞。对夜空中脉冲星进行多年的跟踪强烈表明，时空嗡嗡作响，发出咖啡馆般的引力波低语，这是由遥远星系中心相互螺旋进入的超大质量黑洞对发出的。原则上，ngEHT 可以空间分辨这样一对黑洞——看到两个黑点而不是一个。
此外，该团队设想使用 ngEHT 制作 M87* 和人马座 A* 的“电影”，这仍然是迄今为止最有利的目标。“我们希望这些黑洞对于黑洞天体物理学来说，能够像太阳对于恒星天体物理学一样有用，”CfA 博士后研究员安吉洛·里卡特说，他领导了绘制人马座 A* 磁场的新结果的理论方面。“我们希望非常了解这些黑洞，以便我们可以将它们用作其他系统的基线。”
自 2019 年以来，ngEHT 项目已获得美国国家科学基金会（NSF）超过 1460 万美元的资助，用于资助新硬件的设计和当前一批参与望远镜的升级。去年 9 月，史密森天体物理天文台选择了德国公司 mtex 天线技术公司来设计、开发和建造必要的下一代天线。根据多尔曼的说法，完成 ngEHT 将在几年内花费 8800 万美元，他和他的同事在 12 月向 NSF 提出了这笔资金申请。
NSF 尚未透露是否会资助全面范围的 ngEHT。根据该机构的2025 财年预算申请，预计最早也要到 10 月才会公布这一消息。
EHT 合作组织甚至对如何拍摄最佳黑洞照片有更大、更长期的想法。即使是 ngEHT 也只能达到如此好的效果；其虚拟望远镜的有效集光能力仍然受到我们地球大小的限制。为了获得更好的分辨率，EHT 必须将其直径扩大到超过地球的直径——通过将至少一台望远镜放置在太空。
由 CfA 天体物理学家迈克尔·约翰逊领导的 EHT 团队正在探索一个名为黑洞探测器（BHEX）的太空任务概念。这个想法是将一颗卫星送入地球轨道，作为 EHT 阵列的另一个节点。BHEX 将使阵列的整体分辨率提高三到五倍——原则上，这足以让科学家看到所谓的“光子环”：一个清晰、发光的光圈，由反复环绕黑洞的光子在逃逸到宇宙中之前形成。
乐观的性能预测表明，这种基于太空的 ngEHT 扩展甚至可以梳理出光子环的极薄亚结构，这些亚结构是由不同光子群在逃逸之前围绕黑洞完成的轨道数量变化引起的。
这些观测将为广义相对论提供极其严格的检验，同时以前所未有的方式解析黑洞的行为。黑洞周围的吸积盘究竟是如何表现的？黑洞如何发射它们的喷流？这些问题以及更多问题可以通过 ngEHT 得到解答——以令人瞠目结舌的细节揭示宇宙中最神秘的物体之一。
“当我们第一次启动 EHT 时，我们甚至不知道黑洞是否可以成像，”多尔曼说。“既然我们已经出色地消除了这种科学风险，现在是时候迈出一大步了。”