核心閱讀

　　對人類首次“看見”的M87中心黑洞，科學(xué)家又有新的觀測進(jìn)展。近日，中科院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)，首次對該黑洞的陰影及其周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大噴流一同進(jìn)行成像。這張“全景”照片使天文學(xué)家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。

　　4年前，一張來自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動。2019年4月10日，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目發(fā)布第一次拍到的黑洞照片，黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心。

　　如今，人類首次“看見”的黑洞，有了“全景”照。日前，由中國科學(xué)院上海天文臺路如森研究員領(lǐng)銜的一個國際研究團(tuán)隊(duì)，通過在毫米波段的觀測，首次對M87中心黑洞的陰影及其周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大噴流一同進(jìn)行了成像。

　　路如森介紹，此次的觀測結(jié)果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）獲得。相關(guān)成果4月26日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

　　更全面地了解黑洞周圍的物理過程

　　噴流是一種天文現(xiàn)象，看上去像一條火焰柱。人們將具有定向、狹長、高速的電離物質(zhì)外流稱為噴流。噴流廣泛存在于宇宙中的許多天體中，如形成中的恒星、爆發(fā)中的激變變星、吸積中的黑洞等。

　　路如森說：“當(dāng)噴流中物質(zhì)速度接近光速時，該噴流被稱為相對論性噴流。大部分相對論性噴流與星系中心的超大質(zhì)量黑洞有關(guān)?！?/p>

　　早在1918年，天文學(xué)家就已經(jīng)觀測到噴流，但是噴流與黑洞到底是什么關(guān)系？百年來，謎團(tuán)始終未解。觀測工作正是在一步步地試圖解開這個謎團(tuán)。而M87中心黑洞距離地球僅5500萬光年，質(zhì)量約為65億個太陽，非常適合拍照研究。

　　“M87有著明亮的長達(dá)5000光年的噴流，而M87中心黑洞正是噴流的源頭。因此，給它拍照可以幫助我們理解黑洞附近的環(huán)境，觀察黑洞周圍的物質(zhì)是如何繞轉(zhuǎn)、掉進(jìn)或被噴出的，進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系?！甭啡缟f，黑洞周圍的物質(zhì)被認(rèn)為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是從來沒有人直接對它進(jìn)行過成像，“以前我們曾在單獨(dú)的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但這次在一個新的波段將M87中心黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中。”

　　“我們觀測到M87中心黑洞在3.5毫米波長的圖像也呈現(xiàn)‘甜甜圈’形態(tài)，比之前‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’在1.3毫米波長觀測到的‘甜甜圈’大了近50%，相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時看一個直徑13厘米的環(huán)形補(bǔ)光燈的大小。”路如森說。

　　據(jù)了解，在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質(zhì)產(chǎn)生了額外的輻射，這使天文學(xué)家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。

　　協(xié)調(diào)南北半球射電望遠(yuǎn)鏡開展同步觀測

　　如果說“事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝的照片是M87中心黑洞的“特寫”，那么，此次科研團(tuán)隊(duì)拍攝到的就是M87中心黑洞的“全景”：有黑洞、黑洞周圍的吸積流以及從吸積盤附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。

　　“事件視界望遠(yuǎn)鏡”由8臺射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成，大部分射電望遠(yuǎn)鏡布局在北半球，空間采樣較為稀疏。此次參與觀測的射電望遠(yuǎn)鏡陣列增加到了16臺，尤其是南半球射電望遠(yuǎn)鏡的“助陣”，大大提高了觀測拍攝的分辨率和靈敏度，使得研究團(tuán)隊(duì)首次在3.5毫米波長對M87中心黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。

　　然而，要協(xié)調(diào)遍布全球的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測絕非易事。

　　“在這一頭，太陽落山了，望遠(yuǎn)鏡看不到了，而另一個地方，太陽剛剛升起，觀測正當(dāng)時?！甭啡缟f，對人類天文學(xué)事業(yè)孜孜不倦的共同追求，讓研究團(tuán)隊(duì)不畏艱辛，克服了時差、地域等困難，最終完成了2018年4月14日至15日長達(dá)十幾個小時的觀測拍攝。而后，又經(jīng)過了長達(dá)5年的數(shù)據(jù)處理和成像工作，得到這張彌足珍貴的新照片。“‘沖洗照片’和理論解釋的過程同樣傾注了全球科學(xué)家的心血，沒有國際科研合作，就無法完成如此艱巨繁瑣的工作?！甭啡缟f。

　　接下來還要為黑洞拍攝動態(tài)照片

　　對M87中心黑洞的探索并沒有結(jié)束，進(jìn)一步的觀測和強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。

　　研究團(tuán)隊(duì)透露，下一步的目標(biāo)是與“事件視界望遠(yuǎn)鏡”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。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”將帶給我們更多信息，幫助我們更好理解黑洞本身，以及它和周圍環(huán)境的關(guān)系。

　　路如森說：“我們將拍攝更清晰的3.5毫米波長照片，結(jié)合‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’未來拍攝的更清晰的1.3毫米波長照片，未來下一代‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’拍攝的0.8毫米波長照片，以及在更遙遠(yuǎn)的未來空間甚長基線干涉測量拍攝的更短波長的照片，我們可以得到黑洞的‘彩色照片’。”

　　“為了揭示M87中心超大質(zhì)量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機(jī)制之謎，我們需要拍攝更多色的高質(zhì)量圖像，包括在0.8毫米波長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。”上海天文臺臺長沈志強(qiáng)研究員補(bǔ)充說。

　　研究團(tuán)隊(duì)的另一個目標(biāo)是拍攝“動態(tài)黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時每刻都在和周圍環(huán)境相互作用，因此不同時刻看它，它是不一樣的。拍攝“動態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓我們能夠全方位地觀測和理解黑洞。

　　由于M87中心黑洞變化緩慢，需要長時間的監(jiān)測來拍攝它的變化。“事件視界望遠(yuǎn)鏡”在過去幾年進(jìn)行了多次的連續(xù)成像觀測，未來5年也有持續(xù)的觀測計(jì)劃。

　　路如森說：“針對快速變化的銀心黑洞，目前‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’的望遠(yuǎn)鏡分布不足以實(shí)現(xiàn)‘快拍模式’的動態(tài)攝影，‘丟幀’嚴(yán)重。但隨著未來幾年更多望遠(yuǎn)鏡的加入，將能達(dá)到所需時間分辨率，拍到‘黑洞電影’。”