银河系中心的超大质量黑洞 EHT观测数据再分析，发现高速旋转的吸积盘？

摘要：事件视界望远镜在2022年观测报告的银河系中心超大质量黑洞的环形图像很可能不是真实图像，而是望远镜的观测效应造成的形状。我们的再分析确认，该形状是向东西方向延伸的。这与之前高空间分辨率观测结果一致。这张图片能看到在黑洞周围有一个以60%光速在高速旋转的吸积盘。

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主译：梁晨

校对：余路汉

审核：牧夫天文校对组

美编：余家劲

后台：李子琦

日期: 2024年10月25日

三好真（日本国立天文台 JASMINE项目助教）

加藤成晃（气象厅信息基础部数据预测科・技术专员）

牧野淳一郎（神户大学大学院理学研究科行星科学・特聘教授）

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摘要：

事件视界望远镜在2022年观测报告的银河系中心超大质量黑洞的环形图像很可能不是真实图像，而是望远镜的观测效应造成的形状。我们的再分析确认，该形状是向东西方向延伸的。这与之前高空间分辨率观测结果一致。这张图片能看到在黑洞周围有一个以60%光速在高速旋转的吸积盘。高速旋转造成的多普勒效应，让东半侧看起来更亮，西侧更暗。吸积盘与黑洞距离非常近，范围大约是史瓦西半径的两倍到数倍大。

图1：银河系中心超大质量黑洞（Sgr A*；萨吉艾斯特）的再分析图像。射电信号强度强的区域显示为红色，信号强度弱的区域显示为蓝色。图像由东向西延伸（图上为左右）。东侧（左侧）亮，西侧（右侧）暗。这是由于吸积盘高速旋转产生的多普勒效应（多普勒爆发效应）造成的。朝我们旋转的东侧更亮，而远离我们旋转的西侧更暗。右下图为同比例的EHTC报告图像，以供参考。

内容：

用事件视界望远镜（Event Horizon Telescope,以下简称EHT）观测的研究团队（以下简称EHTC）报告了黑洞图像。我们银河系中心有一个质量约为太阳 400 万倍的超大质量黑洞（Sagittarius A* = Sgr A*, 人马座A星、以下简称 Sgr A* ），这一发现让莱因哈特-根泽尔（德国）和安德烈亚-盖兹（美国）荣获2020年诺贝尔物理学奖。EHTC在2017年用EHT对超大质量黑洞（Sgr A*）进行观测，并在2022年发表论文。我们公布了黑洞图像是一个直径约为 50 微角秒的环（这个角度与从地球上看月球表面五枚一日元硬币-相当于10厘米长-的视角相同）。50微角秒的直径与从地球到 Sgr A*的距离，以及根据Sgr A*黑洞质量用广义相对论计算出来的黑洞暗部，和“黑洞阴影 ”大小一致。这让EHTC相信其看到了一个黑洞。不过，我们对公开的EHT观测数据进行重新分析后，得到的是一个延伸的东西向图形，而不是一个环形图像。我们的图像和EHTC的环形图像哪个正确？观测数据与成像结果有多一致，我们比较了两者与观测数据的匹配程度。在数据的振幅值方面，EHTC环形图像显示出比我们图像大两倍的残差。由此判断我们的图像与观测数据更为一致，具有更高的可信度。那么，50微角秒的环形图像是如何获得的呢？任何望远镜都无法完全准确地捕捉到天体的实际图像。通过天文望远镜观测恒星时，观测不到点状图像，而是呈现出模糊的圆形图像，或者恒星周围会出现同心圆。这种望远镜成像时的偏差倾向，即“点扩散函数”（Point Spread Function，简称PSF，以下称为PSF）。我们研究了EHT的PSF结构，发现与普通望远镜的PSF相比，其凹凸结构极为复杂（见图2）。通常会用射电信号干涉测量去除PSF的凹凸结构（去卷积）。我们假设 EHTC 环形图像是在这一去卷积工作中产生的形状，并对此进行了研究。首先，仔细研究了 EHT 的 PSF 结构。在中心位置的主波束旁边，有一个显示其49%强度的第一旁瓣，它位于距主光束49微角秒的位置。此外，在主波束和第一旁瓣之间的中点处有一个非常深的负凹陷，其深度达到主波束的-89%。换句话说，EHTC 测得的黑洞阴影直径与 PSF 结构中主波束和第一旁瓣之间的距离完全一致。PSF除了第一旁瓣还有其他起伏。在EHTC的环形图像中，可以看到环上有三个明显的明亮区域。它们的位置关系与 PSF 结构中的主瓣、北侧的第一个旁瓣以及东侧的旁瓣的位置关系相同。EHTC的环形图像是去卷积后，使用20微角秒的圆形重建光束合成的图像。然而，可以看到图像中心 “黑洞阴影”的形状与 PSF 主瓣部分的形状一致。由此可见，EHTC的环形图像与PSF结构存在多处相似之处。这表明EHTC的成像解析在PSF的去卷积方面存在一些问题。

图2：表示了EHT望远镜的特性（点扩散函数PSF）。当观测天体为完全点源时的成像示意图（实际数据处理会消除PSF结构的影响，生成清晰图像）。红色表示正值，蓝色表示负值。从中央主波束向南北（图中为上下）方向延伸25微角秒处出现很深的负凹陷（黄色X标记）。以北侧凹陷为中心画一个直径为50微角秒的圆圈（黄色虚线），圆周上会出现多个峰值（黑色X标记）。主波束与（第二高的）第一旁瓣之间的距离为49微角秒。这与 EHTC 测得的黑洞阴影直径（48.7±7.0微角秒）完全一致。右图是用绿色等高线叠加了 EHTC 报告的环形图像。环上的三个亮区与PSF中的三个峰值几乎一致。

为了消除观测数据中的误差（称为数据校准），EHTC成像分析过程从一开始就对 Sgr A* 图像做了一些假设。首先，假设Sgr A* 的振幅为60微角秒，并据此校准部分观测数据的振幅。其次，Sgr A*的结构在观测过程中会发生波动，为了减轻这种变化的影响，利用广义相对论磁流体力学（GRMHD）模拟中获得的知识，即关于天体结构及其物理条件的估计，对观测数据进行加权处理。这意味着观测成像结果从一开始就是假定的，这使得它不再是纯粹意义上的成像。

此外，在成像分析过程中，EHTC采用自己的标准来选择最终成像结果。通常情况下，最终成像结果是基于观测数据和成像结果的一致性来选择的。然而EHTC并非如此，而是从通过多种成像参数获得的众多成像结果中，选择了出现频率最高的形状作为最终图像。我们担忧的是，上述由EHTC进行的成像分析过程，可能无法正确地对PSF进行去卷积，由此产生的图像可能反映的是PSF的结构特征，而非观测天体的实际结构。

另一方面，我们的独立分析是采用传统成像分析方法来得出最终图像。也就是说，我们采用了广被为接受的混合映射法。这种方法使用CLEAN算法进行PSF去卷积，并采用自校准（self-calibration）的方法来校准观测数据。交替重复这两个步骤，逐步确定天体图像。在使用混合映射法时，我们已确立的遵守注意事项。将得到的图像与 PSF 结构进行比较。最后，我们选择了与观测数据最一致的图像作为最终图像。结果如图1所示。

我们获得的图像呈现出东西方向延伸的形状。图像的东半部比西半部更亮。东西部亮度的差异应该是由于吸积盘高速旋转造成的多普勒爆发现象。当一个发光物体以接近光速的速度靠近时，由于多普勒效应，它会显得更亮。相反，当它以接近光速的速度远离时，它会显得比实际亮度更暗。这种现象本质上与多普勒效应相同。吸积盘在旋转，向东侧（图中左侧）是靠近我们，向西侧（图中右侧）是远离我们。我们的测量结果表明，黑洞周围存在一个吸积盘，在距离黑洞史瓦西半径（即黑洞周围包括光和其他物质都无法逃逸的区域半径被称为史瓦西半径）两倍到数倍之间的地方。吸积盘的旋转速度约为光速的60%（图 3）。