EHT与人类首张黑洞照片

5月12日，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope; EHT）合作组织将发布来自于EHT的关于银河系中心的一项突破性成果。

如果提及EHT的科学成果，大家印象最深刻的当属“人类获得的首张黑洞照片”。因此，在围观发布会之前，不妨先随我们回顾下与该成果相关的系列成果吧。

北京时间2019年4月10日，EHT合作组织协调召开全球六地联合新闻发布会，宣布人类首次利用一个口径如地球大小的虚拟射电望远镜，在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图像（图1）。

图1. M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”（见下文），周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束（beaming）效应所造成的。由这种上（北）下（南）的不对称性可以定出黑洞的自旋方向。

这张图像的意义非同一般，它提供了黑洞存在的直接“视觉”证据，使得在强引力场下验证爱因斯坦广义相对论，细致研究黑洞附近的物质吸积与相对论性喷流成为可能。

为了捕获第一张黑洞图像，由来自包括中国在内的十几个国家（地区）的200多名科学家形成了EHT这一重大国际合作计划。作为对100年前爱丁顿等人验证广义相对论的回声，EHT合作者们在2017年4月份到世界上多个最高、最偏僻的射电天文台（如表1所示），以一种爱因斯坦永远也不会想到的方式去检验他的广义相对论。

图2. 2017年4月份参加EHT观测的8个VLBI台站，实线连接的为观测M87的5个地点（7个台站；由于位置限制，位于南极的SPT望远镜无法观测到M87），虚线连接的为观测一个校准源（3C279）的台站。

为了增加探测灵敏度，EHT所记录的数据量非常庞大。2017年4月份的观测中，每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s，8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据（相当于350万部电影，至少要几百年才能看完！）。EHT采用专用硬盘来记录数据，再把它们送回数据中心进行处理。在那里，研究人员用超级计算机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差，并把所有数据做互相关综合处理，从而达到信号相干的目的。在此基础之上，通过对这些数据经过近两年时间的后期处理和分析，人类终于捕获了首张黑洞图像。

北京时间2021年3月24日，EHT为揭秘M87超大质量黑洞又提供了一个崭新视角：它在偏振光下的影像（图3）。

图3.偏振光下超大质量黑洞M87*的图像，图中线条标记了偏振的方向，它与黑洞阴影周围的磁场有关（图片版权：EHT合作组织）。偏振片只允许特定方向的偏振光通过。

对比下这两张照片，并非此次新照片的清晰度提高，也并非EHT升级了望远镜阵列，提高了像素。我们看到的新照片，其实与首张黑洞照片来自于同一批成像观测，但是这张“照片”是通过处理偏振信号获得的，所以我们称之为“黑洞在偏振光下的影像”。

这是天文学家第一次在如此接近黑洞边缘处测得表征磁场特征的偏振[1]信息。该结果对理解距离我们5500万光年的M87星系如何产生能量巨大的喷流十分关键。

EHT能够拍摄到黑洞阴影周围的高分辨率偏振图像，主要归功于两点：一是EHT的高分辨本领，让科学家们能够分解开这些致密区域；二是观测波段在短毫米波段，从而大大削弱了法拉第旋转效应的影响。

为了获取2019年4月10日宣布的首张黑洞照片（总强度图），需处理各个台站间相同偏振方向的互相关数据。而为了获得偏振图像，则更加复杂，还需要对所有台站之间的交叉偏振信号进行处理，其中的难点在于对台站偏振参数进行校准。所谓台站偏振参数，指各个台站实际接收偏振信号时，原本期待接收两路“干净”的偏振信号，但实际上接收的其中一路偏振信号，难免会“掺杂”有另一路偏振的信号。

超大质量黑洞的巨大引力驱动强大的喷流，并使其以接近光速的速度传播到很远的距离。M87喷流的辐射覆盖从无线电波到可见光再到伽马射线的整个电磁波谱。对每个黑洞而言，其在各电磁波段的辐射特征各不相同。通过收集这些辐射的“指纹”可以加深人们对黑洞性质的了解（比如，它的自旋和能量输出），但面临的一个挑战是这些不同频率上的辐射特征往往是随着时间变化的。

全球科学家通过协调包括地面和空间最先进的望远镜，在对M87的EHT观测期间同步收集到了整个电磁波谱范围内的辐射，这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流的频率覆盖最广的同步观测。

2021年4月14日，来自19台望远镜（阵）的数据公开发布。这些数据将极大地加深对这个黑洞中央引擎及其系统的理解，并提升对爱因斯坦广义相对论的检验。

图4. M87的多波段观测结果，天马射电望远镜参加其中EVN的170mm和EAVN的13mm及7mm观测。（图片来源：EHT合作组织多波段工作组）

天马射电望远镜参与了其中2017年5月9日的欧洲VLBI网（EVN）170mm观测，并贡献了最高分辨率基线（图4）。同时，作为东亚地区灵敏度最高的长毫米波射电望远镜，天马望远镜全程参与2017年3月至5月期间东亚VLBI网（EAVN）在13mm和7mm对M87共14次EHT协同观测（图4）。这是国内射电望远镜在7mm工作波长首次成功参加国际VLBI联合观测。

●注：偏振

偏振，也称极化，是横波的一种属性，指横波在与其传播方向垂直的平面内沿着某一特定方向振荡的性质。光是一种电磁波，由耦合振荡的电场和磁场组成，而电场和磁场的振荡方向总是互相垂直的。在自由空间里，电磁波是以横波方式传播，即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向。

转载自“天之文”公众号

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