刚刚！又一张黑洞照片发布！这个黑洞离我们更近

毫不夸张的说，人类认识到“Sgr A*就是对应于银河系中心四百多万倍太阳质量的黑洞的射电源”代表着我们对星系核理解有了一次根本性的进步。此后的几十年间，人们直接探测该黑洞的渴望不断地助推技术的发展，使人类能够一步步地“接近”黑洞的边缘。

02

从厘米波到毫米波，用VLBI接近Sgr A*

对Sgr A*的首次探测经历了很多次尝试才成功，主要因为银河系中心受到强烈的星际散射的影响（Davies, Walsh & Booth 1976）。由于散射效应的主导，Sgr A*在厘米及更长的波段所观测到的形状呈现为一个东西方向的椭圆高斯，其大小跟观测波长的平方成正比。在VLBI技术发展的初期，由于当时射电望远镜的数目非常有限，需要在“正确”的观测波长并在“合适”距离的射电望远镜之间才能够探测到Sgr A*。

由于散射效应会随着观测频率的升高迅速减小，因而只有在（亚）毫米波段才能够摆脱散射的影响，看清Sgr A*的真面目。实际上，在波长长于几厘米时，观测到的Sgr A*的结构完全是由散射主导的。在大约1厘米及更短的波长观测时，Sgr A*的内禀结构才逐渐显现出来。随着观测波长不断减小到（亚）毫米波段，一方面干涉仪的分辨本领会不断增加，另一方面更容易克服同步辐射自吸收引起的不透明度影响。这些都有利于逐渐看清越来越靠近黑洞并由其引力弯曲所决定的环状的（亚）毫米波辐射结构（即“黑洞阴影”）。

在VLBI观测中，为分析并解释所观测到的“可见度（visibility）”数据，经常用到两种方法：

对可见度数据直接进行模型拟合，通常采用一些几何模型，比如二维的圆或椭圆高斯形状、环状、盘状或新月状模型等。这里模型的复杂程度由数据的特征来决定。

对可见度数据进行成像，再对图像进行模型化分析，得出相关的模型参数，从而对所观测的辐射结构进行量化描述。

两种方法各有优劣，模型拟合比较直接，尤其在望远镜数目不多、基线覆盖不足以成像的情况下就能得出一些比较可靠的结论，典型的案例是Whitney等（1971）在只有两个望远镜（一条望远镜基线）的观测数据的情况下，就采用了模型拟合的方法发现了3C 279中的视超光速现象。这也是很多早期观测采用此方法的原因。但这往往会由于模型比较简单而损失了细节。相反，成像的结果会比较直观，但成像过程又会带来一些额外的不确定性。在很多工作中，这两种方法会同时使用，以便获得最可靠的结果，这些过程往往又与数据的校准结合在一起。

随着VLBI技术及观测设备的发展，人们对Sgr A*开展了一系列的高辨率观测，尤其是近二十多年来在毫米波段开展的观测。

在7毫米波段，首次的成像结果由 Krichbaum 等于1993年获得（Krichbaum等 1993），但由于参与观测的望远镜数目较少，这些结果仍存在较大不确定性。尽管后续有不少在该波段的观测，但由于数据校准中存在较大不确定性，人们一直未能准确地确定并扣除散射效应的影响，进而无法获知Sgr A*的内禀结构。其中一个主要原因是，参加观测的绝大多数望远镜不是专门为毫米波观测而建造，且多位于北半球，在观测位于南天的Sgr A*时受到严重的大气影响。2004年，Bower等通过利用闭合幅度的方法消除数据校准中的不确定性，在确定并扣除散射效应之后测量了Sgr A*的内禀大小（Bower等 2004）。

在3毫米波段，Rogers等于1994年首次探测到Sgr A*。中科院上海天文台研究员沈志强牵头的国际团队于2002年利用美国的甚长基线干涉阵列VLBA对 Sgr A*开展了首次的高分辨率成像观测（如图2所示），并测量到Sgr A*在3毫米的内禀大小，发现了支持银河系中心存在超大质量黑洞的令人信服的证据（沈志强等 2005）。

图二：Sgr A*在3毫米的CLEAN图像,左右两图分别对应使用椭圆和圆状洁束重建的图像（图片来源：沈志强等 2005）

随着位于南半球的毫米波望远镜的加入（例如，大型毫米波望远镜LMT，阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列ALMA），近年来的观测已能够更好地限制Sgr A*的二维内禀结构及星际散射的性质（如Issaoun等人 2019, 2021）。

在1毫米波段，由于毫米波望远镜数目的限制一直未能实现真正的VLBI成像。1998年，Krichbaum等（1998）首次在位于法国和西班牙的两个IRAM的望远镜间实现了针对SgrA*的1毫米条纹探测，并获得了其在1毫米的角大小。Doeleman等（2008）利用一个三台站的阵列开展了1毫米观测，发现Sgr A*存在事件视界尺度上的致密结构。通过拟合一个圆高斯状的几何模型，发现该结构的大小为37微角秒。由于数据的限制，这些观测尚不能用来确定比一个圆高斯更复杂的模型。Fish等（2011）利用后来类似的观测发现尽管Sgr A*的流量密度在几天内发生了明显改变，但其大小随时间的变化却并不明显。Johnson 等（2015）发现Sgr A*的致密结构具有明显的线偏振特征，意味着银河系中心黑洞的周围存在有序的磁场结构。通过对VLBI数据中闭合相位信息的分析，Fish 等（2016）发现Sgr A*在1毫米的辐射结构具有不对称性。位于智利的阿塔卡马探路者实验望远镜（APEX）加入到1毫米VLBI阵列后，路如森等（2018）于2018年发现Sgr A*的观测数据已不能再用单一的高斯模型来解释。通过考虑较此稍复杂的模型，发现在总体为50微角秒的结构内存在更为致密的亚结构。尤其是与观测数据最符合的新月状模型（图3），其直径为52微角秒，与广义相对论预言的黑洞阴影的结果出奇地一致。这也是此次银河系中心黑洞成像之前1毫米VLBI观测的最新结果。

图三：Sgr A*的致密结构的模型示意图（图片来源：路如森等 2018 [注：由于合作者作梗为首次黑洞成像结果预留空间，原论文中无法发表模型拟合的最优图像，只能使用灰色示意图。]）。