[비즈한국] 2019年，天文学家成功捕捉到了位于巨大椭圆星系M87中心的超大质量黑洞。这是通过“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，简称EHT）取得的成就，该项目动用了从北极到南极、遍布全球的射电望远镜阵列。随后，2022年，研究团队又成功捕捉到了位于我们银河系中心的“人马座A*”（Sgr A*）黑洞。尽管银河系中心的黑洞距离我们近得多，但观测耗时更长，原因在于该区域恒星和尘埃云的密度极高，视野被严重遮挡，导致拍摄难度更大。
或许有人会觉得，拍摄黑洞照片这件事本身就很荒谬。黑洞，“黑色的洞”这个名字本身不就是因为其引力太强，连光都无法逃脱而得名的吗？既然没有任何光线从中射出，到底是怎么拍到黑洞照片的呢？
这话没错。事实上，严格来说，直接拍摄黑洞本身确实是不可能的。但我们完全可以看到光线从黑洞事件视界边缘泄漏出来的样子。黑洞凭借极其强大的引力吸引着周围的大量物质，这些物质在高速绕行黑洞时会被剧烈加热并发出光芒。2019年和2022年观测到的图像，正是这些光迹。
M87中心和银河系中心的黑洞都呈现出标志性的光环形态。正中央是一片漆黑的虚空。在这深渊之中，潜藏着宇宙最深邃的黑暗——事件视界。任何进入事件视界的东西都绝无逃脱可能。虽然黑洞本身是一个点，但天文学家在比较黑洞规模时，通常以事件视界的大小为准。遗憾的是，没人知道事件视界内部发生了什么。但我们可以看到光线沿着黑洞周围极度扭曲的时空飞向我们而形成的“光环”。那个看起来像橙色甜甜圈的东西，正是人类所确认的黑洞阴影。
目前，事件视界望远镜观测到的数据已公开，供任何人查阅。然而，最近一些重新分析这些归档数据的天文学家提出了一个有趣的问题：我们广为人知的橙色甜甜圈状黑洞图像，其实是错误的。他们主张，无法复现出事件视界望远镜团队所展示的那种橙色甜甜圈图像。难道我们看到的黑洞“打卡照”真的错了吗？
事件视界望远镜所瞄准的这两个黑洞，实际上在天空中看起来非常微小。银河系中心的人马座A*黑洞质量约为太阳的400万倍，其事件视界大小仅约1.6亿公里，相当于水星轨道的直径！然而，这个黑洞距离地球足有2.7万光年。从地球仰望，该黑洞事件视界的张角仅约0.00001度，小得就像一个点。简单比喻的话，这就像是在月球那么远的地方去看一个微小的甜甜圈。M87中心黑洞的情况也类似。
要清晰地分辨出如此微小的天体，需要一台巨大的望远镜，其口径几乎要达到地球的大小。当然，建造如此巨大的望远镜是不可能的。因此，天文学家选择了将分布在全球各地的射电望远镜观测数据同步合并的方式。这种利用多台射电望远镜观测同一天体的技术被称为“射电干涉测量法”。
不过，射电干涉测量法也有其天生局限。最理想的方法是用射电望远镜覆盖地球的每一寸土地，但这不可能。因此，巨大的射电干涉仪阵列之间会出现空白。这就像是无法将多块镜片拼成一面平整的镜子，而是在中间留有空隙的情况下进行观测。所以，天文学家利用人工智能算法来推测那些未覆盖的空隙处可能呈现的影像，从而补全了黑洞的图像。
最近，以三好真（Makoto Miyoshi）为首的日本天文学家利用事件视界望远镜的观测结果进行分析，试图复现2022年公布的银河系中心黑洞图像。结果发现，他们无法复现出那张著名的橙色甜甜圈图像，取而代之的是一团单纯的块状图像。因此，有人提出质疑：仅凭现有的事件视界望远镜观测数据，根本无法清晰分辨出黑洞周围的光环和事件视界。
他们提出的核心问题之一是：现有黑洞图像中呈现的光环大小，几乎接近了事件视界望远镜的分辨极限。
在天文学中，来自光源的光扩散开来的样子被称为“点扩散函数（PSF）”。原本应该是一个点的光线，在经过望远镜处理后会呈现为四周圆润模糊的样子，这种形态称为PSF。此次提出质疑的研究团队认为，考虑到当时观测所用望远镜的配置和性能，成像的模糊程度即PSF的极限，几乎与照片中的光环相当。因此，他们主张我们看到的并非清晰的光环，而是一团模糊的污渍。
他们特别指出，事件视界望远镜团队在利用AI算法重构图像的过程中产生了一种“偏差”。当时，事件视界望远镜团队是基于理论实现的黑洞模型来重构观测数据的。但最初设定的模型本身就是最理想状态下的光环图像。因此，由于算法是基于不符合实际观测性能和局限性的理想化光环图像进行训练的，很有可能造就了实际上并未观测到的虚假光环图像。
2022年6月，事件视界望远镜研究团队首次就三好团队的质疑发布了官方回应。他们表示欢迎对观测结果进行公开验证，但指出三好团队误解了他们的观测结果，不过并未给出详细解释。最终，三好团队随后发表论文，称M87星系中心黑洞的图像分析也存在致命缺陷，认为其中的光环同样是实际上并未观测到的虚像，并要求事件视界望远镜团队提供更详细的反驳和依据。
在此后的几个月里，事件视界望远镜团队保持沉默。直到最近的2024年10月29日，他们在官方博客上发布了一篇详细文章，反驳了三好团队的分析。
首先，事件视界研究团队指出，三好团队未充分考虑银河系中心黑洞的变动性。银河系中心黑洞的质量和规模远小于M87中心黑洞，这意味着其周围事件视界的尺寸更小，被黑洞捕获的物质旋转速度更快，周围的光线波动也更剧烈，形状不断改变。事实上，银河系中心人马座A*黑洞周围的光线据推测约10分钟就会波动一次。事件视界团队表示，他们考虑到了这种变动性，对随时间变化的黑洞图像进行了逐帧重构。相比之下，三好团队的分析未能充分考虑这种变动性。
此外，他们还展示了随后的偏振观测证据，证明了黑洞周围光环的存在。事件视界望远镜团队此前曾观测到黑洞周围的偏振光，并据此展示了周围磁场如何扭曲的观测证据。以此，他们对三好团队的反驳进行了二次反驳。
然而，事件视界望远镜团队似乎也退后了一步，表现得较为谨慎。在反驳三好研究团队主张的同时，他们也承认了“确实存在其他不支持事件视界望远镜团队解读的外部分析”。实际上，现在不仅是三好研究团队，一些独立的科研团队也提出了现有环状黑洞图像可能是扭曲结果的可能性。这并不是说黑洞周围不存在环状事件视界，而是指出在目前的望远镜性能下，要看清环状事件视界是不可能的，但因为在“必然是环状”的预期下训练了算法，最终导致了“看到想看到的东西”的情况。
作为21世纪人类最伟大的科学成就之一，黑洞的拍摄，其历史性照片竟可能是一张“错误的”照片！现在判断谁对谁错还为时尚早。但我们不应误以为这次争议意味着黑洞本身不存在。无论是支持橙色甜甜圈状黑洞图像的一方，还是不支持的一方，没人怀疑宇宙中存在黑洞这个怪物。争议的焦点在于：我们拍到的那个怪物的肖像到底是什么样子的？我们过去了解的肖像是否准确？
最终，即便橙色甜甜圈状的黑洞照片被判定为错误的结果，也不必感到失望。相反，事件视界望远镜团队不隐瞒数据、公开供人检验的态度值得高度评价。这也是为了更精确地描绘黑洞形象的过程。橙色甜甜圈状的黑洞照片会作为黑洞的最终认证照留存，还是会成为一段被误解的扭曲历史？在未来，天文学家们能否在纪念黑洞认证照的同时继续“吃甜甜圈”呢？
目前，事件视界望远镜团队正计划投入更多望远镜，并同时规划利用太空射电望远镜进行观测，以更高的分辨率对M87和银河系中心黑洞进行额外观测。进而，他们不仅满足于静态照片，还计划尝试像拍摄GIF动图一样，拍摄黑洞周围光环实时波动的过程，捕捉物质的变动性。如果额外观测得以进行，近期激烈的黑洞图像争议将会得到解决。
参考
https://academic.oup.com/mnras/article/534/4/3237/7660988?login=false
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac6ddb
https://eventhorizontelescope.org/blog/imaging-reanalyses-eht-data
https://eventhorizontelescope.org/blog/response-independent-analysis-ehtc-imaging-sgr-miyoshi-et-al-2024
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫咪和宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立志要将宇宙之美传达给大众。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用产生的演化，并进行演讲、写作等多种科学传播活动。著有《暧昧的观测台》、《整天想宇宙》、《星，光之科学》等书。