银河系中心黑洞首张照片背后：射电天文学的“诞生之音”

北京时间2022年5月12日晚9点，事件视界望远镜(EHT)合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)的首张照片。这是EHT合作组织继2019年发布人类史上第一张黑洞照片，位于更遥远星系M87中央黑洞照片之后的又一重大突破。

银河系中心黑洞人马座A*首张照片，图片来自EHT合作组

这张银河系中心超大质量黑洞的图像将射电天文学带回了它的诞生地。事件视界望远镜(EHT)是全球8个毫米波射电望远镜所组成的观测阵列，此次所拍摄的图像区域正是首个被探测到的宇宙无线电波“发源地”。1932年，贝尔电话实验室的工程师卡尔·扬斯基(Karl Jansky)发现了这一无线电波，这标志着射电天文学的开始。

对于银河系研究，最早可追溯到意大利物理学家和天文学家伽利略(Galileo Galilei)。1610年，伽利略用望远镜发现银河系尽管肉眼看上去像云一样，但实际上由恒星组成。1785年，英国天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)绘制了一幅银河系的初始图。

1918年，美国天文学家哈罗·沙普利(Harlow Shapley)利用造父变星确定了银河系的中心，确定了围绕着银河系的球状星团，其中心位于人马座的一个区域。该区域被厚厚的气体云尘埃云挡住了可见光望远镜的观测。造父变星作为变星的一种，是一类高光度周期性脉动变星，其亮度随时间呈周期性变化，它的光变周期（即亮度变化一周的时间）与它的光度成正比，因此可用于测量星际和星系际的距离。

卡尔·扬斯基(Karl Jansky)，图片来自NRAO/AUI/NSF

1928年，扬斯基受雇于贝尔实验室，负责确定干扰短波无线电话通信的噪声源，他设计了一种高度定向的天线。到1932年，他已经确定了一些噪声源，然而其中还有一个谜团，“一种非常稳定、类似于嘶嘶声的静态声音，其来源尚不清楚。”

这种嘶嘶声出现的时间随着季节变化而变化。在一位天文学家朋友建议下，扬斯基查阅了一些天文学书，并于1932年12月得出结论：奇怪的嘶嘶声来自“太阳系外”。1933年4月，他在一次华盛顿特区会议上发表了一篇论文，宣布了这一发现。1933年5月5日，《纽约时报》在头版报道了这一声明。

10天后，扬斯基接受了一家全国性无线电台网的采访，表示已经确定了噪音在太空中的位置，“这似乎证实了沙普利博士的计算，即无线电波似乎来自我们星系的重心。”

这一区域后来被称为人马座A，是该星座中最亮的无线电发射源。1951年，澳大利亚射电天文学家进一步缩小了发射源的范围，认为它是银河系的中心。

1974年，布鲁斯·贝里克(Bruce Balick)和罗伯特·布朗(Robert Brown)利用美国国家射电天文台的绿岸干涉仪(Green Bank Interferometer)发现了一个非常明亮而紧凑的天体，布朗后来给它起了个名字：人马座A*(加了星号)。黑洞成为了解释该天体发出明亮射电的主要原因。1994年，红外和亚毫米波研究估测人马座A*的质量是太阳的300万倍。

更遥远星系M87中央黑洞M87*（左）与银河系中心黑洞人马座A*（右）的照片对比，图片均来自EHT合作组

2002年，马克斯·普朗克地外物理研究所Reinhard Genzel领导的团队报告了一项为期10年的研究，研究了人马座A*附近一颗名为S2的恒星轨道运动。该研究得出结论为银河系中心天体人马座A*的质量是太阳的400多万倍。

2009年，另一个团队报告了对该区域恒星轨道的进一步观测，并得出结论，中心天体可能是一个黑洞，因为目前还没有其他现象可以解释在如此小的空间内为何能容纳如此巨大的质量。这项研究与关于人马座A*的其他研究为加州大学洛杉矶分校的莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez)赢得了2020年诺贝尔物理学奖，因为他们提出了“迄今为止关于银河系中心存在超大质量黑洞最令人信服的证据”。

银河系中心的超大质量黑洞人马座A*，插图来自EHT合作组，大图来自NASA

此次EHT合作组拍摄的人马座A*首张照片，则提供了银河系中心超大质量黑洞存在的直接视觉证据，其黑洞周围产生的现象与理论预测相一致。这张照片成为了自伽利略研究银河系到现今漫长研究历史的一个顶点，有助于科学家进一步研究超大质量黑洞周围气体行为的理论与模型。