京公網安備 11010502045281號M87黑洞在3.5毫米波長所觀測到的圖像(圖源：SHAO,MPIfR,NRAO/AUI/NSF)。 中科院上海天文臺 供圖
(相關資料圖)
中新網北京4月26日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)4年多前，事件視界望遠鏡(EHT)在全球多地同步發布全世界300多位科學家合作完成的一項重大天文學成果——人類首張黑洞照片，其“甜甜圈”狀的萌圖引發全球公眾廣泛追捧和學界持續關注。
這一人類首次“眼見為實”的超大黑洞直接視覺證據，揭示了室女座星系團中超大質量星系梅西耶(Messier)87(M87)中心的黑洞，它距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。如今，4年過去了，M87黑洞有變化嗎?科學研究有何進展?有沒有拍到新的照片?
本次M87黑洞聯合觀測成像過程示意圖。 中科院上海天文臺 供圖
黑洞陰影和強大噴流首次同框成像
來自中國科學院(中科院)的最新消息說，中科院上海天文臺研究員、中德馬普伙伴小組組長路如森領導的一個國際研究團隊利用在3.5毫米波段開展的最新觀測，首次對著名射電星系M87的黑洞陰影以及其周圍落入中央黑洞的物質的環狀結構和強大的相對論性噴流一起進行成像。該同框圖像為首次在3.5毫米波長實現成像，也首次表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯系。
此次M87圖像觀測結果是由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列(GMVA)聯合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)和格陵蘭望遠鏡(GLT)獲得，后兩個觀測臺站的加入大大增強了GMVA的成像能力。
北京時間4月26日夜間，來自17個國家和地區共64家研究單位121位科研人員共同“拍攝”完成的M87黑洞陰影和強大噴流首次同框影像及相關成果論文，在國際頂級學術期刊《自然》(Nature)上線發表。
M87黑洞藝術想象圖。 中科院上海天文臺 供圖
新波段拍攝到黑洞及噴流“全景圖”
論文第一作者路如森研究員介紹說，黑洞周圍的物質被認為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是此前從來沒有人直接對它進行過成像。“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的‘全景圖’”，“我們之前看到的環狀結構在3.5毫米波長變得更大、更厚，這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質產生了額外的輻射，從而使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程”。
他指出，ALMA、GLT與GMVA組成全新觀測陣容，提高全球望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度，使得天文學家首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環狀結構進行了成像。新陣列測得的環狀結構的直徑為64微角秒，相當于月球上的宇航員回望地球時看到的一個13厘米的環形補光燈的大小。這個直徑比事件視界望遠鏡此前在1.3毫米波段觀測中所看到的環狀結構要大50%，符合對該區域相對論等離子體輻射的預期。
這次發表的M87黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍攝，經過復雜的數據處理和成圖過程，以及反復驗證和確認結果，最終在5年后“沖洗”完成并呈現出這張史無前例的新圖像。它與4年前發布的人類首張黑洞照片相比有兩個不同點：一是本次觀測波長是3.5毫米，而EHT的觀測波長是1.3毫米;二是本次觀測聯合了16臺望遠鏡，而EHT的觀測聯合了8臺望遠鏡。
“EHT拍攝的照片是黑洞的‘特寫’，看到亮環圍繞著中間的陰影。此次我們拍攝到黑洞的‘全景’，在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流、以及從盤附近延伸向遠處的噴流。這張照片作為EHT照片的拓展，充分展現了黑洞和它周圍環境的關系。”路如森通俗解釋說。
最新觀測結果揭示黑洞本身不是“很餓”
“通過在GMVA觀測中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我們獲得了一個新的視角，確實看到了我們在早期VLBI(甚長基線干涉測量)觀測中了解到的三齒狀的噴流。”論文共同作者、德國馬普射電天文研究所托馬斯·克里奇鮑姆(Thomas Krichbaum)認為，“但是，現在我們可以看到噴流是如何從中央超大質量黑洞周圍的環狀結構中出現的，而且也可以在另一個波段測量黑洞周圍環狀結構的直徑”。
中科院上海天文臺團隊指出，來自M87黑洞的射電輻射是由高能電子和磁場的相互作用產生，這種輻射被稱為同步加速輻射，在3.5毫米波長，新的觀測結果揭示出有關這些電子的位置和能量的更多細節，還包括一些關于黑洞本身的性質：它不是“很餓”，其消耗物質的速度很低，只將其中一小部分轉化為輻射。
論文共同作者、中國臺灣地區“中央研究院”天文和天體物理研究所的淺田圭一(Keiichi Asada)解釋說：“為了解M87黑洞這個更大、更厚的環的物理來源，我們不得不使用計算機模擬來測試不同的情況，最終得出結論顯示，亮環的較大范圍與吸積流有關”。論文共同作者、日本國立天文臺秦和弘(Kazuhiro Hada)補充稱，“我們還在數據中發現一些令人驚訝的事情：在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度比我們預期的要寬。這可能意味著黑洞周圍不僅僅有氣體落入，也可能有一股‘風’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂”。
本次M87黑洞聯合觀測的16臺望遠鏡臺站分布圖。 中科院上海天文臺 供圖
未來將拍攝“彩色黑洞”“動態黑洞”
中科院上海天文臺研究團隊表示，雖然已完成黑洞“特寫”和“全景”照片的拍攝，但天文學家對M87黑洞的探索并沒有結束，后續進一步的觀測和未來更強大的望遠鏡陣列將繼續揭開它的神秘面紗。
路如森透露，研究團隊下一步的目標，一是與EHT一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀測波長上給黑洞拍照，他們將拍攝更清晰的3.5毫米照片，結合未來EHT拍攝的更清晰的1.3毫米照片、未來下一代EHT拍攝的0.8毫米照片，以及在更遙遠的未來空間VLBI拍攝的更短波長的照片，就可以得到黑洞的“彩色照片”。由于不同波長的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過程，相比于“單色黑洞”，“彩色黑洞”將帶給天文學家更多信息，幫助更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環境的關系。
二是拍攝“動態黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時每刻都在和周圍環境相互作用，因此不同時刻看它，它是不一樣的。拍攝“動態黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓天文學家能夠全方位的觀測和理解黑洞。對于M87黑洞，由于它變化緩慢，需要長時間的監測來拍攝它的變化，EHT在過去幾年進行了多次的連續成像觀測，未來5年也有持續的觀測計劃，這些觀測數據將呈現M87黑洞在10年時間跨度上的電影。針對快速變化的銀心黑洞，目前EHT的望遠鏡分布不足以實現“快拍模式”的動態攝影，“丟幀”嚴重，但隨著未來幾年更多望遠鏡的加入，將能達到所需時間分辨率，拍到“黑洞電影”。
論文共同作者、韓國天文和空間科學研究所瓊戈·帕克(Jongho Park)認為，未來毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變并且將通過結合不同顏色的“射電光”的圖像，來獲得M87中心黑洞區域的多色視圖。
“此次展現的3.5毫米波長圖像可以說是代表了當前的最新成就，但為了揭示M87中央超大質量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準直傳播的物理機制之謎，我們需要拍攝更多色的高質量圖像，包括在0.8毫米或更短的亞毫米波波長的黑洞照片，以及在長至7.0毫米波長的黑洞和噴流的全景圖像，未來非常令人期待。”論文共同作者、中科院上海天文臺臺長沈志強研究員總結強調。
責任編輯：Rex_27
營業執照公示信息