還記得人類首張黑洞照片嗎？天文學(xué)家拍攝M87黑洞又上新啦！

M87黑洞在3.5毫米波長所觀測到的圖像(圖源：SHAO,MPIfR,NRAO/AUI/NSF)?！≈锌圃荷虾Ｌ煳呐_ 供圖

中新網(wǎng)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(yuǎn)鏡(EHT)在全球多地同步發(fā)布全世界300多位科學(xué)家合作完成的一項重大天文學(xué)成果——人類首張黑洞照片，其“甜甜圈”狀的萌圖引發(fā)全球公眾廣泛追捧和學(xué)界持續(xù)關(guān)注。

這一人類首次“眼見為實(shí)”的超大黑洞直接視覺證據(jù)，揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系梅西耶(Messier)87(M87)中心的黑洞，它距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。如今，4年過去了，M87黑洞有變化嗎?科學(xué)研究有何進(jìn)展?有沒有拍到新的照片?

本次M87黑洞聯(lián)合觀測成像過程示意圖?！≈锌圃荷虾Ｌ煳呐_ 供圖

黑洞陰影和強(qiáng)大噴流首次同框成像

來自中國科學(xué)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(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究團(tuán)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(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的相對論性噴流一起進(jìn)行成像。該同框圖像為首次在3.5毫米波長實(shí)現(xiàn)成像，也首次表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系。

此次M87圖像觀測結(jié)果是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/亞毫米陣列(ALMA)和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡(GLT)獲得，后兩個觀測臺站的加入大大增強(qiáng)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(qū)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(qiáng)大噴流首次同框影像及相關(guān)成果論文，在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上線發(fā)表。

M87黑洞藝術(shù)想象圖?！≈锌圃荷虾Ｌ煳呐_ 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(zhì)被認(rèn)為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是此前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，但現(xiàn)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(huán)狀結(jié)構(gòu)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(zhì)產(chǎn)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(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度，使得天文學(xué)家首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。新陣列測得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑為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)光燈的大小。這個直徑比事件視界望遠(yuǎn)鏡此前在1.3毫米波段觀測中所看到的環(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。

這次發(fā)表的M87黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍攝，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和成圖過程，以及反復(fù)驗證和確認(rèn)結(jié)果，最終在5年后“沖洗”完成并呈現(xiàn)出這張史無前例的新圖像。它與4年前發(fā)布的人類首張黑洞照片相比有兩個不同點(diǎn)：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(lián)合了16臺望遠(yuǎn)鏡，而EHT的觀測聯(lián)合了8臺望遠(yuǎn)鏡。

“EHT拍攝的照片是黑洞的‘特寫’，看到亮環(huán)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(yuǎn)處的噴流。這張照片作為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?！甭啡缟ㄋ捉忉屨f。

最新觀測結(jié)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(shí)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?！闭撐墓餐髡?、德國馬普射電天文研究所托馬斯·克里奇鮑姆(Thomas Krichbaum)認(rèn)為，“但是，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”。

中科院上海天文臺團(tuán)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(chǎn)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(jié)果揭示出有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細(xì)節(jié)，還包括一些關(guān)于黑洞本身的性質(zhì)：它不是“很餓”，其消耗物質(zhì)的速度很低，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。

論文共同作者、中國臺灣地區(qū)“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(huán)的物理來源，我們不得不使用計算機(jī)模擬來測試不同的情況，最終得出結(jié)論顯示，亮環(huán)的較大范圍與吸積流有關(guān)”。論文共同作者、日本國立天文臺秦和弘(Kazuhiro Hada)補(bǔ)充稱，“我們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)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”。

本次M87黑洞聯(lián)合觀測的16臺望遠(yuǎn)鏡臺站分布圖?！≈锌圃荷虾Ｌ煳呐_ 供圖

未來將拍攝“彩色黑洞”“動態(tài)黑洞”

中科院上海天文臺研究團(tuán)隊表示，雖然已完成黑洞“特寫”和“全景”照片的拍攝，但天文學(xué)家對M87黑洞的探索并沒有結(jié)束，后續(xù)進(jìn)一步的觀測和未來更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。

路如森透露，研究團(tuán)隊下一步的目標(biāo)，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(jié)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(yuǎn)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(xué)家更多信息，幫助更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環(huán)境的關(guān)系。

二是拍攝“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，讓天文學(xué)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(jiān)測來拍攝它的變化，EHT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)的觀測計劃，這些觀測數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)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(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”。

論文共同作者、韓國天文和空間科學(xué)研究所瓊戈·帕克(Jongho Park)認(rèn)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(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。

“此次展現(xiàn)的3.5毫米波長圖像可以說是代表了當(dāng)前的最新成就，但為了揭示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，我們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，未來非常令人期待?！闭撐墓餐髡?、中科院上海天文臺臺長沈志強(qiáng)研究員總結(jié)強(qiáng)調(diào)。