研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質(zhì)量黑洞（M87*）周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，觀測到這一黑洞在3.5毫米的圖像也呈現(xiàn)“甜甜圈”形態(tài)，比此前“事件視界望遠(yuǎn)鏡”在1.3毫米觀測到的“甜甜圈”大了近50%，并且看到從“甜甜圈”向遠(yuǎn)處延展的“尾巴”，它是黑洞的噴流。

截至目前人類已有兩個顏色的黑洞照片，研究人員希望未來從顏色和時間維度上得到更多黑洞圖像。相比于“單色黑洞”，在不同觀測波長上拍攝“彩色黑洞”照片有助于理解黑洞本身以及它和周圍環(huán)境的關(guān)系。拍攝“動態(tài)黑洞”將在空間維度上解鎖時間維度，讓人類能夠全方位觀測和理解黑洞。

(資料圖片)

研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質(zhì)量黑洞（M87*）周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。

由中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊利用毫米波段開展的新觀測，首次將著名射電星系Messier 87（M87星系）的黑洞陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中。相關(guān)成果4月26日發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

此前，人們認(rèn)為用地球上的望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米觀測波長上不會看到“甜甜圈”形態(tài)的黑洞。但此次研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質(zhì)量黑洞（M87*）周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像，觀測到這一黑洞在3.5毫米的圖像也呈現(xiàn)“甜甜圈”形態(tài)，比此前“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope, EHT）在1.3毫米觀測到的“甜甜圈”大了近50%，它來自于黑洞周圍的吸積流。并且看到從“甜甜圈”向遠(yuǎn)處延展的“尾巴”，它是黑洞的噴流。

如果說EHT拍攝的照片是黑洞的“特寫”，能看到亮環(huán)圍繞著中間的陰影。此次拍攝到的是黑洞的“全景”，在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。這張新照片作為EHT照片的拓展，充分展現(xiàn)了黑洞和它周圍環(huán)境的關(guān)系。

黑洞不再“孤單”：新波段下的黑洞和噴流全景圖

在引力極強(qiáng)的時空區(qū)域，任何東西甚至是光（電磁波）都無法逃逸。因為光無法逃逸，所以稱之為“黑”，因為物質(zhì)無法逃逸，所以稱之為“洞”。黑洞沒有表面，一般用事件視界面作為邊界，區(qū)分黑洞內(nèi)部和外部。它標(biāo)識出“無返回區(qū)”，即一切穿過事件視界的東西永遠(yuǎn)不可能逃逸。

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。理論學(xué)家認(rèn)為，黑洞不僅在“吃”（吸積物質(zhì)），同時也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質(zhì)速度快、方向性好，自然就形成了所觀測到的噴流。但理論學(xué)家至今也沒能非常明確地解釋黑洞與噴流的關(guān)系，觀測工作也在一步步試圖解開這個謎團(tuán)。

M87*黑洞是目前宇宙中所知質(zhì)量最大的黑洞之一，約65億倍太陽質(zhì)量，它位于M87星系——室女座星系團(tuán)中央巨橢圓星系的中心，距離地球約5500萬光年。M87星系有著長達(dá)5000光年的明亮噴流，而M87*正是噴流的源頭。給M87*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)黑洞或被噴出的，進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系。

由中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究團(tuán)隊利用毫米波段開展新觀測，目標(biāo)是研究噴流的形成，對黑洞的吸積盤（一種由彌散物質(zhì)組成的圍繞中心體轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)，它是包圍黑洞或中子星的氣體盤）內(nèi)區(qū)成像探測。研究人員首次對著名的射電星系M87的黑洞陰影，以及其周圍顯示落入中央黑洞的物質(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的相對論性噴流一同進(jìn)行了成像。

在3.5毫米波長所觀測到的M87*黑洞圖像，其致密的核心首次在該波段被分解并在高分辨率條件下呈現(xiàn)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

這張新照片于2018年4月14日至15日拍攝，經(jīng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和成圖過程，及反復(fù)驗證和確認(rèn)結(jié)果，最終在五年后呈現(xiàn)。這張照片中，黑洞不再“孤單”，研究人員探測到了黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流，圖像首次表明中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系。

上海天文臺天文學(xué)家、中德馬普伙伴小組組長、論文第一作者路如森說，“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖?！焙诙粗車奈镔|(zhì)在吸積過程中落入黑洞，但從來沒有人直接對它成像?！拔覀冎翱吹降沫h(huán)狀結(jié)構(gòu)現(xiàn)在在3.5毫米波長下變得更大、更厚。這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質(zhì)產(chǎn)生了額外的輻射。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程?！甭啡缟硎?。

此次觀測和人類首張黑洞照片中的黑洞為同一個黑洞，均為M87*。為何本次拍攝到的噴流在“事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝的人類首張黑洞照片中沒有看到？路如森表示，一方面“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的視場比較小，只能拍攝到黑洞的“特寫”照片，離黑洞稍遠(yuǎn)一些的噴流沒能進(jìn)入鏡頭。而本次拍攝用的望遠(yuǎn)鏡比“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的視場大很多，既能看到黑洞周圍的發(fā)光物質(zhì)，也能看到噴流。另一方面，噴流的亮度隨著觀測波長變化。噴流在本次觀測采取的3.5毫米觀測波長上比較明亮，而在“事件視界望遠(yuǎn)鏡”采取的1.3毫米觀測波長上稍微暗一些，這也可能是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”沒有拍到噴流的原因。

16臺射電望遠(yuǎn)鏡觀測，測得環(huán)狀結(jié)構(gòu)直徑大50%

此次觀測結(jié)果來自于中國學(xué)者領(lǐng)銜的國際合作項目，成員來自17個國家和地區(qū)、64家研究單位，共計121位。相比于拍攝人類首張黑洞照片的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”聯(lián)合了8臺望遠(yuǎn)鏡，本次拍攝是將16臺射電望遠(yuǎn)鏡連起來，組成一臺口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。

這16臺射電望遠(yuǎn)鏡分別為全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（Global mm-VLBI Array，GMVA）的14臺望遠(yuǎn)鏡，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA），以及位于格陵蘭島的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（Greenland Telescope，GLT）。

路如森表示，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）的加入大大增強(qiáng)了GMVA的成像能力，提高了這個洲際望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度。尤其是阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列，它是毫米波VLBI（甚長基線干涉測量，Very Long Baseline Interferometry）觀測中真正的游戲規(guī)則改變者，使得南北方向分辨率增加4倍，并可以“錨定”整個陣列?！皬臍v史脈絡(luò)來講，北半球比較發(fā)達(dá)，建了很多望遠(yuǎn)鏡，但結(jié)果是在北半球的東西方向建了很多望遠(yuǎn)鏡，南北方向上，南邊很缺望遠(yuǎn)鏡，而我們這種成像需要各個方向都有望遠(yuǎn)鏡分布。”

GMVA測得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)直徑為64微角秒，相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時看到的一個13厘米的環(huán)形補(bǔ)光燈大小。這個直徑比“事件視界望遠(yuǎn)鏡”此前在1.3毫米觀測中所看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)要大50%，符合對該區(qū)域相對論等離子體輻射的預(yù)期。

左為2019年4月10日公布的人類歷史首張黑洞照片，右為2023年4月26日公布的同一個黑洞的照片，環(huán)狀結(jié)構(gòu)在3.5毫米波長下變得更大、更厚。

位于德國波恩的馬普射電天文研究所（MPIfR）天體物理學(xué)家托馬斯·克里鮑姆（Thomas Krichbaum）說，“現(xiàn)在我們可以看到噴流是如何從中央超大質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的，而且我們現(xiàn)在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑?！?/p>

M87的射電輻射由高能電子和磁場的相互作用產(chǎn)生，這種現(xiàn)象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測結(jié)果揭示了有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細(xì)節(jié)。它們還告訴研究人員關(guān)于黑洞本身的一些性質(zhì)：它不是“很餓”，它消耗物質(zhì)的速度很低，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。為了了解這個更大、更厚的環(huán)的物理來源，研究人員使用計算機(jī)模擬來測試不同情況，最終得出結(jié)論，亮環(huán)的較大范圍與吸積流有關(guān)。

日本國立天文臺的Kazuhiro Hada補(bǔ)充說：“我們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事情，在靠近黑洞的內(nèi)部區(qū)域，輻射的寬度比我們預(yù)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(fēng)’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂。”

M87星系探索史：未來希望得到“彩色黑洞”和“黑洞電影”

1781年，法國天文學(xué)家夏爾·梅西耶發(fā)表了著名的梅西耶星表，里面包含103個星云狀的天體，并以字母M加數(shù)字為這些天體命名。M87就是其中之一，其含義為梅西耶星表中的第87個天體。

1918年，美國天文學(xué)家希伯·柯蒂斯首次觀測到M87的噴流，這也是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流。他看到“一束奇怪的直射線，從一片朦朧的光斑中心發(fā)出”。后來，隨著對宇宙認(rèn)知的拓展，人們逐漸意識到M87并不是星云，而是一個星系。

1947年，人們觀測到M87位置處的射電源，命名為室女座A。隨后證實室女座A的射電信號就來自于M87。于是M87成為知名的射電星系，吸引了無數(shù)射電望遠(yuǎn)鏡的目光。

M87星系中心超大質(zhì)量黑洞（M87*）的圖像。上方為2017年4月11日的圖像，下方三個圖為M87*在2017年4月5日、6日和10日的圖像。圖中心的暗弱區(qū)域即為“黑洞陰影”，周圍的環(huán)狀不對稱結(jié)構(gòu)是由于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和相對論性射束效應(yīng)所造成的。

直到2017年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”成功拍攝到了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞（M87*）的照片。這張照片也是人類歷史上的首張黑洞照片，于2019年4月10日正式面世。照片顯示M87*長得像個“甜甜圈”，外面一圈亮環(huán)，圍繞著中間的陰影。

但對M87星系的探索并沒有結(jié)束，未來進(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。韓國天文和空間科學(xué)研究所的Jongho Park說：“未來毫米波觀測將研究M87*黑洞的時間演變并且將通過結(jié)合不同顏色的射電光的圖像來獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。”

上海天文臺臺長沈志強(qiáng)研究員表示，為了揭示M87中央超大質(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，需要拍攝更多色的高質(zhì)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。

路如森表示，在新的波段對黑洞首次成像標(biāo)志著朝多色黑洞邁出了一小步，截至目前人類已經(jīng)有兩個顏色的黑洞照片。“未來我們希望得到更多顏色的黑洞圖像，我們也希望給黑洞拍動畫，從顏色和時間維度上得到更多的黑洞圖像，不但讓黑洞 ‘靚’起來，也讓它動起來?！钡壳暗玫礁囝伾暮诙磮D像的問題仍是望遠(yuǎn)鏡陣列不夠多。

據(jù)中國科學(xué)院上海天文臺消息，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。研究人員將拍攝更清晰的3.5毫米照片，結(jié)合未來“事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝的更清晰的1.3毫米照片，未來下一代“事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝的0.8毫米照片，以及在更遙遠(yuǎn)的未來空間VLBI拍攝的更短波長的照片，人類可以得到黑洞的“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”將帶給我們更多信息，幫助我們更好的理解黑洞本身，以及它和周圍環(huán)境的關(guān)系。

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，黑洞是不一樣的。拍攝“動態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓人類能夠全方位觀測和理解黑洞。對于M87*，由于它變化緩慢，需要長時間的監(jiān)測來拍攝它的變化?！笆录暯缤h(yuǎn)鏡”在過去幾年進(jìn)行了多次連續(xù)成像觀測，未來五年也有持續(xù)的觀測計劃。這些觀測數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)M87*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(yuǎn)鏡分布不足以實現(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”。