银河系中心的谜团终于解开了。今天上午，在世界各地的同步新闻发布会上，事件视界望远镜 (EHT) 的天文学家公布了人马座 A* 的首张图像，人马座 A* 是银河系中心的超大质量黑洞。这不是该合作组织给我们的第一张黑洞照片——那是 标志性的 M87* 图像，他们在 2019 年 4 月 10 日公布了该图像。但这是 他们最想要的图像。人马座 A* 是我们自己的私人超大质量黑洞，是我们的星系围绕其旋转的静止点。
科学家们长期以来一直认为，隐藏在我们星系混乱中心区域深处的超大质量黑洞是唯一可能的解释，可以解释那里发生的 奇异现象——例如巨型恒星以接近光速的惊人速度 围绕太空中的一个看不见的物体弹射。然而，他们一直犹豫不决，不愿直接说出来。例如，当天文学家莱因哈德·根泽尔和安德烈娅·盖兹因其在人马座 A* 上的工作而分享 2020 年诺贝尔物理学奖 时，他们的 引文 中明确指出，他们获奖是因为“发现我们星系中心的超大质量致密天体”，而不是揭示“黑洞”。那种谨慎的时代已经过去了。
今天上午，在华盛顿特区国家新闻俱乐部，亚利桑那大学天文与物理学教授、EHT 科学委员会成员费里亚尔·厄泽尔介绍了这张照片，这是一个黑暗的环，由三个闪耀的万亿度气体结构成。“20 年前我遇到了 [人马座 A*]，从那时起就爱上了它，并试图理解它，”厄泽尔说。“但直到现在，我们还没有直接的照片。”
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黑洞会捕获所有落入其中的物质，包括光，因此在某种意义上，它们是看不见的。但是它们会严重扭曲周围的时空，以至于当它们被发光的气体流照亮时，这些气体流是被其引力抓住的下落物质撕碎的，它们会投射出“阴影”。这个阴影大约是黑洞事件视界的两倍半大：事件视界是黑洞的边界和定义特征，是时空中任何穿过它都无法返回的界线。
EHT 使用一种称为甚长基线干涉测量法 (VLBI) 的技术捕捉到这个阴影的图像，该技术结合了多个大陆的射电天文台，形成了 一台虚拟的地球尺寸望远镜，这是一种在所有天文学中分辨率最高的仪器。2017 年 4 月，EHT 合作组织花费了几个晚上将这台虚拟仪器对准人马座 A* 和其他超大质量黑洞。我们已经看到了这项努力的第一个成品：M87*。该团队还在同一观测活动中捕获了人马座 A* 图像的原始数据，但将这些观测结果转换为实际图像花费了更长的时间。
这是因为人马座 A* 不断变化。M87*，即梅西耶 87 星系（或 M87）中心的黑洞，非常巨大，以至于围绕它旋转的物质需要数小时才能完成一个完整的轨道。实际上，这意味着您可以长时间盯着它，它几乎不会改变。人马座 A* 的质量比它小 1000 多倍，因此它的变化速度快了约 1000 倍，因为物质在围绕黑洞的更紧密、更快的轨道上移动。加州理工学院计算机科学家兼天文学家凯蒂·布曼是 EHT 成像工作组的联合负责人，她说，物质围绕人马座 A* 旋转的速度非常快，以至于它“每分钟都在变化”。想象一下拍摄一颗高速子弹的延时照片——这样做并不容易。这就是为什么从 2017 年观测运行中收集的数据中提取人马座 A* 的清晰图像需要数年的时间。
如果说人马座 A* 的变化莫测使其难以观测，那么它也使其成为未来研究黑洞和爱因斯坦广义相对论（他神圣的引力理论）的激动人心的实验室。通过数十年的各种望远镜研究，天文学家已经非常精确地了解了人马座 A* 的基本测量值（其质量、直径和与地球的距离）。现在，他们终于获得了实时观察其演化的能力——观察它吞噬耀斑、闪烁的物质流。
揭开多层面纱
科学家们在 1960 年代初期开始怀疑银河系中心潜伏着一个黑洞，就在发现活动星系核后不久——活动星系核是一些星系核心中极其明亮的区域，被贪婪吞噬的超大质量黑洞照亮。从我们在地球上的角度来看，活动星系核已成为过去——我们只能在遥远的宇宙中看到它们。它们都去哪儿了？1969 年，英国天体物理学家唐纳德·林登-贝尔认为它们并没有去任何地方。相反，他说，它们只是在吃饱饭后睡着了——他预测，休眠的超大质量黑洞在我们周围的螺旋星系中心沉睡，包括我们自己的星系。
1974 年，美国天文学家布鲁斯·巴利克和罗伯特·布朗将位于西弗吉尼亚州绿岸的射电望远镜对准银河系中心，发现了一个他们怀疑是我们星系中心黑洞的微弱光点。他们在被称为人马座 A 的天空中发现了这个光点。来自新来源的辐射正在照亮——或“激发”——周围的氢云。布朗借用了原子物理学的命名法，其中激发的原子用星号标记，并将新发现的光点命名为人马座 A*。
在接下来的二十年里，射电天文学家不断逐步改进他们对人马座 A* 的观测，但他们受到缺乏合适的望远镜、相对原始的技术（想想卷轴磁带）和 观测银河系中心固有的困难 的限制。
人马座 A* 被多层面纱所掩盖。第一层是银河平面——26,000 光年的气体和尘埃，它们阻挡了可见光。无线电波可以不受阻碍地穿过银河平面，但它们被面纱的第二层——散射屏所遮蔽，散射屏是空间中一个湍流区域，星际介质中的密度变化会使无线电波略微偏离航向。最后遮蔽人马座 A* 的是黑洞本身周围被摧毁的物质。穿透这道屏障有点像剥洋葱皮。外层发射较长波长的光，因此使用较短波长的光进行 VLBI 工作将能够实现更接近黑洞事件视界的近距离观测。然而，这是一个重大的技术挑战。
使用 VLBI 以外的其他技术的天文学家最初取得了更大的成功，他们稳步收集间接证据，证明人马座 A* 的“光点”实际上是一个沸腾的超大质量黑洞。在 1980 年代，物理学家查尔斯·汤斯及其同事表明，银河系中心的气体云的运动方式只有在受到某种巨大的、看不见的引力质量的影响下才能说得通。在 1990 年代，盖兹和根泽尔独立开始跟踪银河系中心巨型蓝色恒星的轨道，绘制它们围绕一个沉重但隐藏的枢轴点运动的轨迹。
与此同时，射电天文学家的处境有所改善。在 1990 年代后期和 2000 年代初期，新一代高频射电望远镜开始上线——这些望远镜如果配备大量定制设备，就可以参与微波频率的 VLBI 观测，而微波频率被认为是从人马座 A* 阴影边缘发出的。与此同时，计算革命带来了固态硬盘和每个人口袋里的智能手机，极大地增加了射电望远镜网络中每个天文台可以记录和处理的数据量。
2007 年，EHT 的一个小型的先行者利用了这些趋势，并使用了夏威夷、加利福尼亚和新墨西哥州的三个望远镜来穿透人马座 A* 周围的面纱。他们离成像还差得很远，但他们看到了一些东西。
科学家们早就知道，在某些情况下，黑洞应该投射出可见的阴影。1973 年，物理学家詹姆斯·巴丁预测，明亮背景前的黑洞会显示出其轮廓，尽管他认为“似乎没有希望观察到这种效应。” 2000 年，天体物理学家海诺·法尔克、富尔维奥·梅利亚和埃里克·阿戈尔表明，一台收集微波的地球尺寸射电望远镜应该能够看到人马座 A* 在其周围破碎物质环的光芒下的阴影。
十年之后，数十位在这个默默无闻的天文学角落里辛勤工作的天文学家和天体物理学家就建立一个虚拟的行星尺度射电望远镜来观察那个阴影的正式目标达成一致。该项目的第一次正式启动会议于 2012 年 1 月举行，EHT 由此诞生。
五年后，该团队发展成为一个由 200 多名科学家组成的合作组织，在全球拥有八个参与天文台，他们第一次真实地尝试观测人马座 A* 的阴影。在 2017 年 4 月的 10 天里，北美、南美、夏威夷、欧洲和南极洲的望远镜共同放大人镜，对准银河系中心和其他黑洞，收集了 65 小时的数据，这些数据存储在 1,024 个 8TB 硬盘驱动器中，然后运往马萨诸塞州和德国的超级计算机库进行关联。在那之后的五年，欣喜若狂的 EHT 研究人员向世界展示了他们的实验成功了。“我们为此工作了这么久，以至于偶尔你需要掐自己一下，”布曼今天上午说。“这是我们星系中心的黑洞！”