新波段拍摄到黑洞及喷流“全景图”

M87黑洞在3.5毫米波长所观测到的图像(图源：SHAO,MPIfR,NRAO/AUI/NSF)。　中科院上海天文台 供图

还记得人类首张黑洞照片吗？天文学家拍摄M87黑洞又上新啦！

(资料图)

中新网北京4月26日电 (记者 孙自法 郑莹莹)4年多前，事件视界望远镜(EHT)在全球多地同步发布全世界300多位科学家合作完成的一项重大天文学成果——人类首张黑洞照片，其“甜甜圈”状的萌图引发全球公众广泛追捧和学界持续关注。

这一人类首次“眼见为实”的超大黑洞直接视觉证据，揭示了室女座星系团中超大质量星系梅西耶(Messier)87(M87)中心的黑洞，它距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。如今，4年过去了，M87黑洞有变化吗？科学研究有何进展？有没有拍到新的照片？

本次M87黑洞联合观测成像过程示意图。　中科院上海天文台 供图

黑洞阴影和强大喷流首次同框成像

来自中国科学院(中科院)的最新消息说，中科院上海天文台研究员、中德马普伙伴小组组长路如森领导的一个国际研究团队利用在3.5毫米波段开展的最新观测，首次对著名射电星系M87的黑洞阴影以及其周围落入中央黑洞的物质的环状结构和强大的相对论性喷流一起进行成像。该同框图像为首次在3.5毫米波长实现成像，也首次表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。

此次M87图像观测结果是由全球毫米波甚长基线干涉测量阵列(GMVA)联合阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)和格陵兰望远镜(GLT)获得，后两个观测台站的加入大大增强了GMVA的成像能力。

北京时间4月26日夜间，来自17个国家和地区共64家研究单位121位科研人员共同“拍摄”完成的M87黑洞阴影和强大喷流首次同框影像及相关成果论文，在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上线发表。

M87黑洞艺术想象图。　中科院上海天文台 供图

新波段拍摄到黑洞及喷流“全景图”

论文第一作者路如森研究员介绍说，黑洞周围的物质被认为是在一个被称为吸积的过程中落入黑洞的，但是此前从来没有人直接对它进行过成像。“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的‘全景图’”，“我们之前看到的环状结构在3.5毫米波长变得更大、更厚，这表明在新的图像中可以看到落入黑洞的物质产生了额外的辐射，从而使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程”。

他指出，ALMA、GLT与GMVA组成全新观测阵容，提高全球望远镜阵列的分辨率和灵敏度，使得天文学家首次在3.5毫米波长对M87黑洞周围的环状结构进行了成像。新阵列测得的环状结构的直径为64微角秒，相当于月球上的宇航员回望地球时看到的一个13厘米的环形补光灯的大小。这个直径比事件视界望远镜此前在1.3毫米波段观测中所看到的环状结构要大50%，符合对该区域相对论等离子体辐射的预期。

这次发表的M87黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍摄，经过复杂的数据处理和成图过程，以及反复验证和确认结果，最终在5年后“冲洗”完成并呈现出这张史无前例的新图像。它与4年前发布的人类首张黑洞照片相比有两个不同点：一是本次观测波长是3.5毫米，而EHT的观测波长是1.3毫米；二是本次观测联合了16台望远镜，而EHT的观测联合了8台望远镜。

“EHT拍摄的照片是黑洞的‘特写’，看到亮环围绕着中间的阴影。此次我们拍摄到黑洞的‘全景’，在这张照片中有黑洞、黑洞周围的吸积流、以及从盘附近延伸向远处的喷流。这张照片作为EHT照片的拓展，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。”路如森通俗解释说。

最新观测结果揭示黑洞本身不是“很饿”

“通过在GMVA观测中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我们获得了一个新的视角，确实看到了我们在早期VLBI(甚长基线干涉测量)观测中了解到的三齿状的喷流。”论文共同作者、德国马普射电天文研究所托马斯·克里奇鲍姆(Thomas Krichbaum)认为，“但是，现在我们可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的，而且也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径”。

中科院上海天文台团队指出，来自M87黑洞的射电辐射是由高能电子和磁场的相互作用产生，这种辐射被称为同步加速辐射，在3.5毫米波长，新的观测结果揭示出有关这些电子的位置和能量的更多细节，还包括一些关于黑洞本身的性质：它不是“很饿”，其消耗物质的速度很低，只将其中一小部分转化为辐射。

论文共同作者、中国台湾地区“中央研究院”天文和天体物理研究所的浅田圭一(Keiichi Asada)解释说：“为了解M87黑洞这个更大、更厚的环的物理来源，我们不得不使用计算机模拟来测试不同的情况，最终得出结论显示，亮环的较大范围与吸积流有关”。论文共同作者、日本国立天文台秦和弘(Kazuhiro Hada)补充称，“我们还在数据中发现一些令人惊讶的事情：在靠近黑洞的内部区域，辐射的宽度比我们预期的要宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入，也可能有一股‘风’吹出来，造成黑洞周围的湍流和混乱”。

本次M87黑洞联合观测的16台望远镜台站分布图。　中科院上海天文台 供图

未来将拍摄“彩色黑洞”“动态黑洞”

中科院上海天文台研究团队表示，虽然已完成黑洞“特写”和“全景”照片的拍摄，但天文学家对M87黑洞的探索并没有结束，后续进一步的观测和未来更强大的望远镜阵列将继续揭开它的神秘面纱。

路如森透露，研究团队下一步的目标，一是与EHT一起拍摄“彩色黑洞”。所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照，他们将拍摄更清晰的3.5毫米照片，结合未来EHT拍摄的更清晰的1.3毫米照片、未来下一代EHT拍摄的0.8毫米照片，以及在更遥远的未来空间VLBI拍摄的更短波长的照片，就可以得到黑洞的“彩色照片”。由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程，相比于“单色黑洞”，“彩色黑洞”将带给天文学家更多信息，帮助更好地理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。

二是拍摄“动态黑洞”。黑洞并不是静止的，它每时每刻都在和周围环境相互作用，因此不同时刻看它，它是不一样的。拍摄“动态黑洞”将在空间维度上再解锁时间维度，让天文学家能够全方位的观测和理解黑洞。对于M87黑洞，由于它变化缓慢，需要长时间的监测来拍摄它的变化，EHT在过去几年进行了多次的连续成像观测，未来5年也有持续的观测计划，这些观测数据将呈现M87黑洞在10年时间跨度上的电影。针对快速变化的银心黑洞，目前EHT的望远镜分布不足以实现“快拍模式”的动态摄影，“丢帧”严重，但随着未来几年更多望远镜的加入，将能达到所需时间分辨率，拍到“黑洞电影”。

论文共同作者、韩国天文和空间科学研究所琼戈·帕克(Jongho Park)认为，未来毫米波观测将研究M87黑洞的时间演变并且将通过结合不同颜色的“射电光”的图像，来获得M87中心黑洞区域的多色视图。

“此次展现的3.5毫米波长图像可以说是代表了当前的最新成就，但为了揭示M87中央超大质量黑洞及其相对论性喷流的形成、加速、准直传播的物理机制之谜，我们需要拍摄更多色的高质量图像，包括在0.8毫米或更短的亚毫米波波长的黑洞照片，以及在长至7.0毫米波长的黑洞和喷流的全景图像，未来非常令人期待。”论文共同作者、中科院上海天文台台长沈志强研究员总结强调。(完)