银心黑洞发布！事件视界望远镜：全球最大的FAST为何没有参与？

UTC时间2022年5月12日13:00（北京时间21:00），美国国家科学基金会 (NSF) 和欧洲南方天文台(ESO)以及我国紫金山天文台等，联合发布了银河系中心的黑洞，这是继2019年4月10日后第二个黑洞的照片，将以前所未有的视角展现银心这个神秘天体！

银心黑洞究竟是怎么发现的？

银心黑洞的全称是Sagittarius A*，或者简写为Sgr A*，这是是位于银河系银河中心的一个明亮且非常紧凑的天文无线射电源，那又如何认定这就是一个黑洞呢？

黑洞到底是个什么样的天体？

各位了解的黑洞最早应该是来自史瓦西的计算，大家都知道这是史瓦西在一战战场上解出了爱因斯坦的广义相对论引力场公式的特殊解，但事实上最早计算出光子都跑不出的天体的大神是约翰·米歇尔和皮耶-西蒙·拉普拉斯。

这个概念是比较容易理解的，环绕天体运行的轨道上其离心力等于引力，那么当一个物体的质量很大，但其直径很小时，在其轨道上连达到光速的物体都跑不出去，这就是最初两位大神的假设，不过显然这两位也就假设而已，他们不认为这种东西会存在。

但当史瓦西解出广义相对论精确解时其实大家也不太相信宇宙中居然会存在这样的天体，因此关于黑洞的研究长期没有进展，一直到1958年，大卫·芬克尔斯坦才发表了史瓦西解的无法逃脱区域空间的解释。

第一个黑洞：天鹅座X-1的谜团

1964年时在新墨西哥州白沙导弹靶场，一枚探空火箭将一个X射线观测设备送到了卡门线以上，观测到了8个X射线源，其中就有名Cyg X-1，也就是著名的天鹅座X-1射线源，1970年NASA发射了Uhuru卫星对其进行了长期研究，发现了其X光强度有波动，并且频率为每秒数次，科学家经过计算得出，这个天体的直径小于10万千米。

1967年，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什学生乔丝琳·贝尔发现1.337秒频率的脉冲星，确认是30年前朗道预言的中子星，发出的脉冲是中子星快速旋转的结果。中子星是坍缩的恒星突破了电子简并力平衡的白矮星状态，电子和质子中和成了中子，并且以中子简并态存在的一种天体。

1971年4月至5月，莱顿天文台的 Luc Braes 和 George K. Miley 以及国家射电天文台的Robert M. Hjellming 和 Campbell Wade检测到了X-1的射电源是由HDE 226868星发出的，但这颗恒星是一颗超巨星，其温度根本不足以发出X射线，因为要产生X射线，其温度必须要达到百万度。

因此科学家判定它一定存在一颗看不见的伴星，1972年，皇家格林威治天文台的Louise Webster和Paul Murdin与多伦多大学David Dunlap天文台的Charles Thomas Bolton通过对HDE 226868的多普勒频移确定了这颗伴星的轨道参数与质量，发现其质量超过太阳额4倍以上，显然根据奥本海默极限，没有中子星能超过太阳的3倍，否则将坍缩成黑洞。

到1973年时已经获得了大量的观测资料，天文界基本已承认天鹅座X-1很可能是一个黑洞。更精确测量显示可变性低至一毫秒，这个间隔与黑洞周围的吸积物质盘——吸积盘中的湍流模型一致，目前已经确认，X-1的质量约为太阳的21.2倍，其事件视界半径为300千米。

黑洞是怎么形成的？

目前已知的黑洞形成有几种方式，第一种就是原初黑洞，这是宇宙大爆炸时不均匀分布的物质形成，这也是形成超大黑洞的理论基础，当然大爆炸形成的不只是超大黑洞，还有微型黑洞，而霍金黑洞蒸发理论认为，越小的黑洞存在的时间很短，它们有可能留存到现在，也有可能已经蒸发殆尽。

另一种就是恒星演化的天体形成，比如超新星爆发时内核直接坍缩成黑洞，也有可能中子星合并过程中质量超过奥本海默极限而坍缩成黑洞，就“后天”生成而言，质量是黑洞生成的唯一标准。

当然黑洞也可以通过合并生成更大的黑洞，不过质量却不是两者相加，因为还有部分能量会以引力波的形式释放，这也是黑洞质量增加最快速的方式，而且黑洞质量没有上限，据目前了解到的信息，最大质量的黑洞已经达到了太阳的660亿倍。

由恒星坍缩而成的黑洞，尽管物质已经突破了中子简并力坍缩成了黑洞，看起来“一切信息”都已丢失，但仍然会保留原来恒星的角动量、电荷和质量，这也就是黑洞著名的“三毛定理”，也就是无毛定理，因为这些物质的其他信息均已经丢失，不过后来的霍金辐射理论认为，这个在黑洞外部诞生的虚粒子对，在虚粒子被黑洞吞没时向外辐射的粒子可能会带有信息，也许信息守恒能在黑洞内继续守恒，当然这只是一个猜测。

黑洞就是宇宙中的怪物，它会吞没一切，X-1就是吞噬了HDE 226868恒星而被大家发现，这些物质在黑洞的吸积盘中加速、压缩，最后变成黑洞的质量，当然这些物质也并非那么容易就范，在压缩过程中，会将物质激发到从电磁波开始到可见光再到X射线乃至伽马射线的辐射，这也是辨认黑洞的重要标志之一。

银心黑洞之谜：Sgr A*黑洞确认

早在1933年，科学家就发现了来自银心的强烈射电辐射，但当时一直不知道这里究竟存在什么东西，因为银心一直被银道面上的尘埃覆盖，科学家的光学望远镜根本就无法穿透尘埃观测。

1974年2月13日至15日，天文学家布鲁斯·巴利克和罗伯特·布朗使用国家射电天文台的基线干涉仪发现了一个明亮且非常紧凑的“人马座-天蝎座”射电源，而Sgr A*则是布朗在1982年的一篇论文中首先提出的，其中的“*”号代表原子被激发的状态。

不过在1980年后，科学界就认为这个天体应该是黑洞，但一直没有得到证据！1994年时，诺贝尔奖获得者查尔斯·H·汤斯 (Charles H. Townes) 和后来的诺奖得主莱因哈德·根泽尔 (Reinhard Genzel) 组成的伯克利团队用红外和亚毫米光谱研究表明，Sgr A *的质量约为300万个太阳左右，显然这就是一个黑洞！

2002年时，对银心附近一颗标记为S2的恒星长期观测与Sgr A*的VLBI（甚长基线干涉）观测表明，S2的围绕中心与Sgr A*所在位置高度重叠，检查S2的开普勒轨道后发现，这个黑洞质量被确定为410±60万个太阳质量。

马克斯普朗克地外物理研究所的Reinhard Genzel对周围的恒星长达16年的观测最追踪后，在2008年得出了更精确的质量约为431±38 万个太阳质量，不过目前基本都以400万个太阳质量为基本说法。

2015年1月5日，NASA报告称观测到来自人马座 A*的X射线耀斑比平时亮400倍，据天文学家称应该是有一颗小行星被黑洞的引力撕裂落入了黑洞的吸积盘中，类似的事件在2019年5月13日又发生了一次。

引力波和M87黑洞

引力波的概念在1893年就由Oliver Heaviside提出了，不过真正预言还要到爱因斯坦的广义相对论发表后，但爱因斯坦后来又拒绝确认引力波。

不过这个预言的第一个间接证据来自于1974年观测到的Hulse-Taylor双星脉冲星的轨道衰变，这与广义相对论预测的衰变相吻合，因为引力辐射会损失质量，到了2015年9月14日LIGO-Virgo观测到了13亿光年外一个29倍和36倍的黑洞合并产生的引力波，其中有三个太阳质量的能量以引力波的形式辐射了出来。

2019年4月10日，一张由事件视界望远镜于2017年拍摄的M87*黑洞照片发布，这也是史上第一张、也是唯一一张的黑洞照片。

M87*是室女A星系的核心黑洞，M87位在室女座，是巨大的椭圆星系，也是银河系附近几个质量最大星系其中之一，而黑洞的质量高达太阳的66亿太阳质量，而比较幸运的是，即使是普通爱好者，也可以通过长时间曝光获得M87星系和其长达5,000光年的喷流。

事件视界望远镜：究竟是怎么拍到黑洞？

M87*的黑洞照真是让大家目睹了黑洞的“真容”，但事实上黑洞真正的照片却是拍摄不到的，因为黑洞是目前定义什么都不会发射出来（霍金辐射还未观测到）的天体，而我们现在看到的照片，只是黑洞的事件视界，或者说充其量也只是事件视界外围的照片，因为真正的视界，至少可见光是看不见的。

什么是黑洞的事件视界？

维基的定义是：一个质量大到附近的物质或辐射无法逃离其重力场的天体。通常，这个边界是对于黑洞的脱离速度大于光速的位置。

假如是史瓦西黑洞的话，那么这个事件视界就是史瓦西半径（如果自转的黑洞则会有所不一样），在这个界面上，环绕黑洞的物体必须以光速运行才不会掉入黑洞，显然这对于有质量的物体是不可能，而光子也在这里环绕黑洞公转。

那么在靠近事件视界的区域，光子仍然是有机会逃离的，但其强大的引力会导致其多普勒频移，从可见光变成电磁波，从事件视界向外频移逐渐降低，最终到外围看到频移后仍然在可见光范围内的光子。

因此从理论上来看，光学望远镜是可以看到银心黑洞的，也可以看到M87*黑洞，但一个问题产生了，第一个是黑洞吸积盘的光非常微弱，而且红移后更暗弱，另一个则是M87*黑洞事件视界半径为390亿千米，距离5500万光年，而银心黑洞则是2.6万光年，视界直径为2400万千米。

那么要看到这样天体的光学望远镜要多大呢？很简单，计算下即可了解，公式如下：

黑洞视界直径/距离=1.22*波长/望远镜口径

以可见光550纳米为例，要看清楚银心黑洞的望远镜口径大约需要：6.877千米，而对M87*进行成像，那么光学望远镜需要8.95千米，显然地球上没有一个望远镜可以做到，因此科学家把目光转向了甚长基线干涉阵列。

这种技术将来自不同天文望远镜的观测信号收集后进行联合处理，使其组成一台口径相当于多台望远镜之间距离的虚拟射电望远镜，但这种技术需要精确的原子钟同步信号，记录信号间的时间延迟差，然后再经过超级计算机的处理成一个“合成图像”。

不过要提醒下，事件视界望远镜看到的并不是可见光，而是毫米波，这个合成出来的图像也是只是一个射电图像，需要将其作为可见光波段的通道导入，最后处理成一个黑洞的照片，由于接收到的数据太庞大，2017年拍摄的图像，经过2年多处理，到2019年4月10日才发布。

全球最大的FAST望远镜：为何没有参与

各位一定很关心这次银心黑洞照片发布的各国天文台直播，毫无疑问的是我国紫金山天文台赫然在列，但在发布EHT望远镜时并没有FAST，到底是什么原因？

FAST是全口单口径最大的望远镜，在脉冲星、观测早期宇宙的中性氢、高分辨率射电波段巡视，检测空间微弱射电信号、主导国际甚长基线干涉测量网，获得超精细的天体结构等做出了大量贡献，但其却没有在列。

原因各位从上方的观测波段为1.3毫米也许了解到了个中的原因，FAST观测波段不匹配，因为FAST观测波段范围从4.2厘米到10厘米左右，因此两者不匹配是吗？

其实不是，因为FAST固定观测角度摆动有限，根本就看不到银心Sgr A*的信号，所以很可惜FAST就直接错过了，当然这并没有什么问题，因为看清楚黑洞并不是它的职责。

另据上海天文台的EHT合作国内协调人沈志强介绍称，我国有17家单位为此次发布做出了贡献，另外正在规划建设中国的亚毫米波VLBI望远镜，未来也将参与到对Sgr A*的24小时不间断的接力观测。（完）