天文學家首次拍攝到黑洞與噴流“全景照”
很多人都熟悉一張“甜甜圈”照片，那就是人類歷史上拍到的第一個黑洞。該黑洞位於距離地球5500萬光年外的M87星系中心，是目前所知宇宙中質量最大的黑洞之一，大約65億倍於太陽質量。2017年，事件視界望遠鏡（EHT）的射電望遠鏡拍攝到了它的“特寫”。
最近，由中國科學院上海天文台研究員路如森領導的國際研究團隊，換了個頻道看M87黑洞，首次拍到了M87的黑洞全景。照片裡，不僅有“甜甜圈”，還能看到從“甜甜圈”向遠處延展的“尾巴”，即黑洞的噴流。
作為EHT照片的拓展，新照片首次展現出了黑洞和它周圍環境的關係。4月26日，相關成果發表於《自然》。
“甜甜圈”長了“尾巴”、發了“胖”
黑洞，是一個引力極強的時空區域，包括光在內的任何東西都無法逃逸。它可以“吃掉”靠近它的一切。
此次，天文學家用3.5毫米波段開展了新觀測。他們拍攝到的黑洞照片中，依然可以清晰看到“甜甜圈”——黑洞周圍繞轉著熱氣體，這些氣體在不斷發出輻射，形成亮環。與此同時，黑洞附近被“吐出”的氣體也被拍到，“甜甜圈”長出了“尾巴”。
“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。”論文第一作者路如森告訴《中國科學報》。
“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，也可以在另一個波段測量黑洞周圍環狀結構的直徑。”德國馬普射電天文研究所的Thomas Krichbaum說。
通過這張全景圖，天文學家獲得了一些關於黑洞的新認識。
他們發現“甜甜圈”比之前“胖”了。“本次的觀測波長是3.5毫米，而EHT的觀測波長是1.3毫米，我們看到的環狀結構變得更大、更厚。這表明在新圖像中可以看到落入黑洞的物質產生了額外輻射。這使我們能更全面地了解黑洞周圍的物理過程。”路如森說。
他們還發現黑洞不是“很餓”。“它消耗物質的速度很低，只將其中一小部分轉化為輻射。於是，為了了解這個更大、更厚的環的物理來源，我們使用計算機模擬測試不同的情況。最終我們得出結論，亮環更大、更厚與吸積流有關。”台灣地區“中研院”天文和天體物理研究所的Keiichi Asada說。
此外，從數據中，他們還看到了一些“令人驚訝的事情”。日本國立天文台的Kazuhiro Hada說：“在靠近黑洞的內部區域，輻射寬度比我們預期的寬。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。”
不過，路如森表示，儘管發現了很多新現象，但“星系中央的超大質量黑洞是如何形成的，仍是未解之謎”。
儘管還有很多問題無法回答，但論文的兩位審稿人都給予高度評價。一位審稿人指出：“該研究具有獨創性、主題性，表現力強，可以引起人們的普遍興趣，值得在《自然》雜誌上發表。”另一位審稿人評價：“這項工作是及時的，是在理解活動星系核噴流的形成和准直方面邁出的重要一步。”
黑洞照片的背後
此次研究由中國學者路如森領銜，成員來自17個國家和地區的64家研究單位，共計121位。拍攝動用了全球16台射電望遠鏡，共同組成了一台口徑等效於地球直徑的望遠鏡。16台射電望遠鏡包括全球毫米波陣的14台望遠鏡、位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列，以及位於格陵蘭島的格陵蘭望遠鏡。
黑洞新照片其實在5年前的2018年4月14日至15日就已經拍好，但直至今日才正式發布。
“在初步處理數據後，我們從中註意到了前所未有的新特徵。之後用了5年，經過複雜的數據處理和成圖過程、反複驗證和確認結果，才最終發布。”路如森說。
在將“生數據”處理成“熟數據”過程中，他們前後做了4次甚長基線乾涉測量技術分析中的“互相關處理”以及相應的“相關後處理”分析。“大家克服了來來回回返工的煎熬，得到了最可靠的’熟數據’。”路如森說。
從“熟數據”重建觀測圖像時，研究團隊遇到了前所未有的挑戰。“這是一張視場很大的圖像，圖像包含許多成分，且這些成分的亮度差異很大。通過匯聚遍布全球各地許多合作者的經驗，經過各種嘗試和反複驗證，我們才克服了這些困難。”路如森說。
要拍“彩照”，還要拍“電影”
路如森和他領銜的國際研究團隊，已經想好了下一步目標——與EHT一起給黑洞拍攝“彩色”照片。
所謂“彩色”就是在不同的觀測波長上給黑洞拍照。“進一步的觀測和強大的望遠鏡陣列將繼續揭開它的神秘面紗。”韓國天文和空間科學研究所的Jongho Park說，“未來，毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變，並將結合不同顏色的’射電光’圖像獲得M87中心黑洞區域的多色視圖。”
在上海天文台台長、研究員沈志強看來，未來非常令人期待。“此次展現的3.5毫米波長圖像代表了當前的最新成就，但為了揭開M87中央超大質量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、准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。”沈志強說。
“由於不同波長的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過程，相比於’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，以及它和周圍環境的關係。”路如森說。
路如森還有一個更遠的目標——給黑洞拍“電影”。
“黑洞並不是靜止的，而是每時每刻都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’黑洞要求我們在空間維度上再解鎖時間維度，以便全方位觀測和理解黑洞。”路如森說。
對於5500萬光年外的M87星係來說，黑洞圖像的變化速度緩慢，需要通過長時間監測才能拍出它的變化。“EHT在過去幾年進行了多次連續成像觀測，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’。”路如森說。
對於人類所居的銀河系中央的銀心黑洞，目前EHT的望遠鏡分佈不足以實現“快拍模式”的動態攝影，“丟幀”問題嚴重。但路如森對未來保持樂觀：“隨著更多望遠鏡加入，人類將能達到所需的時間分辨率，並最終拍出’黑洞電影’。”
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