北京时间5月12日晚，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布了银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。这一成果给出了该天体就是黑洞的实证，为理解这种被认为居于大多数星系中心的超大质量天体提供了宝贵的线索。该照片由EHT合作组织通过分布在全球的八台射电望远镜组网“拍摄”而成。北京大学未来技术学院孙赫研究员作为EHT合作组织成像团队的核心成员之一深度参与了这项重大发现。
银河系中心天体是超大质量黑洞，迄今为止最有力证据来自于对银河系中心恒星的间接监测。德国科学家赖因哈德·根策尔和美国科学家安德烈娅·盖兹分别独立领导团队，观测到众多的恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的、质量极大的天体作轨道运动。这一成果强烈暗示银河系中心天体人马座A*（Sagittarius A*：Sgr A*）是一个黑洞，为此获得了2020年的诺贝尔物理学奖。这次事件视界望远镜（EHT）公布的银河系中心黑洞照片清晰地揭示了有大约400万倍的太阳质量被限制在小于水星轨道的狭小区域内，为银河系中心存在超大质量黑洞提供了首个直接的视觉证据。EHT团队的相关研究成果以特刊的形式发表在《天体物理学杂志通信》上1-6。
对银河系中心黑洞的成像，需要极高的图像分辨率，犹如从地球上观测月亮上的一颗苹果。因此，EHT需要利用甚长基线干涉技术（VLBI）连接位于世界各地的多台射电望远镜，构造拥有地球大小口径的虚拟望远镜来实现。即便如此，由于VLBI望远镜阵列的观测非常稀疏，且银河系中心黑洞动态变化十分迅速，对这一目标的成像极具挑战。EHT合作组织花费五年时间，开发了复杂的工具解决Sgr A*的图像重构问题，并利用超级计算机合成和分析数据，编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。
图1 银河系中心黑洞的首张照片！（ EHT 合作组织提供）
这是我们银河系中心超大质量黑洞 Sgr A* 的首张照片，是这个黑洞真实存在的首个直接视觉证据。该照片由分布在地球上的八个射电望远镜组成的、一个等效于地球般大小的虚拟望远镜（即， EHT ）所捕获。望远镜以事件视界（即，光线也无法逃脱的黑洞边界）命名。
因为黑洞不发光，所以我们看不见黑洞自身，但绕转的发光气体给出了其存在的信号：一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域（称之为阴影）。照片上显现出的（射电）光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致，这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。
这张照片是 EHT 团队将从 Sgr A* 的 2017 年观测数据中提取出的不同照片平均而成。
EHT图像处理软件的开发和数据分析工作，是银心黑洞首张照片“拍摄”的核心技术之一，相关的图像重构结果为银河系中心黑洞周围发光气体绕转构成环状结构提供了显著证据。孙赫研究员在加州理工工作期间领导开发的深度概率成像算法（Deep Probabilistic Imaging/Inference）7-8作为重要的数据分析工具之一，参与了银河系中心黑洞的特征提取和动态分析。该方法利用深度学习和变分贝叶斯推断，实现了高维计算成像的快速重构与不确定性估计。该方法被应用于对银心黑洞一系列科学特征（例如黑洞直径、不对称性等）的置信度分析中，为黑洞快速动态变化和大气扰动等观测噪音影响下的黑洞重构图像的准确解释提供了科学保障。
EHT合作组织由来自全球80个研究机构共300多名研究人员组成，其中中国大陆境内学者共17位，3位来自北京大学，分别为未来技术学院孙赫研究员、科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授和邵立晶研究员。根据不同的科研目标，研究人员分别在仪器、数据、成像和理论等不同的小组中开展合作工作。孙赫研究员作为成像和科学特征两个小组的成员之一，负责了一系列计算成像软件的开发和图像分析工作。此外，孙赫研究员也是下一代事件视界望远镜（ngEHT）选址算法团队（Algorithm & Inference Working Group – Array Operation Subgroup）的召集人之一，正在领导ngEHT基于深度学习的新望远镜自动化选址工作。ngEHT团队将致力于通过研发下一代的VLBI阵列和图像处理方法，实现对黑洞的连续观测和视频重构。
参考文献：
1. The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way." The Astrophysical Journal Letters. 2022.
2. The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. II. EHT and Multiwavelength Observations, Data Processing, and Calibration." The Astrophysical Journal Letters. 2022.
3. The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. III. Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole." The Astrophysical Journal Letters. 2022.
4. The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. IV. Variability, Morphology, and Black Hole Mass." The Astrophysical Journal Letters. 2022.
5. The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. V. Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole." The Astrophysical Journal Letters. 2022.
6. The Event Horizon Telescope Collaboration. "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VI. Testing the Black Hole Metric." The Astrophysical Journal Letters. 2022.
7. Sun, He, and Katherine L. Bouman. "Deep Probabilistic Imaging: Uncertainty Quantification and Multi-modal Solution Characterization for Computational Imaging." Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence. 2021.
8. Sun, He, et al. "alpha-Deep Probabilistic Inference (alpha-DPI): efficient uncertainty quantification from exoplanet astrometry to black hole feature extraction." Astrophysical Journal. 2022.