黑洞全景來了：中國學者領銜，全球聯手

　　上面這個“甜甜圈”很多人都熟悉。它是人類歷史上拍到的第一個黑洞。該黑洞位于距離地球5500萬光年外的M87星系中心，是目前宇宙中所知質量最大的黑洞之一，大約65億倍太陽質量。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，由中國學者、中國科學院上海天文臺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。照片里，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系。4月26日，相關成果發表于《自然》。

　　M87黑洞全景。上海天文臺供圖

　　“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，依然可以清晰地看到“甜甜圈”——黑洞周圍繞轉著熱氣體，這些氣體在不斷地發出輻射，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，而且我們也可以在另一個波段測量黑洞周圍環狀結構的直徑。”馬普射電天文研究所的Thomas Krichbaum說。

　　通過這張全景圖，天文學家們獲得了一些關于黑洞的新認識。

　　他們發現“甜甜圈”比之前“胖”了。“本次觀測的觀測波長是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。這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質產生了額外的輻射。這也使得我們能夠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。于是，為了了解這個更大、更厚的環的物理來源，我們不得不使用計算機模擬來測試不同的情況。最終我們得出結論，亮環更大、更厚與吸積流有關。”臺灣地區“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”。日本國立天文臺的Kazuhiro Hada說：“在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度也比我們預期的要寬。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’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂。”

　　不過，路如森表示，盡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”。

　　盡管還有很多問題無法得到回答，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》雜志上發表。”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準直方面邁出的重要一步。”

　　此次研究成果示意圖。上海天文臺供圖

　　黑洞照片的背后

　　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、64家研究單位，共計121位。拍攝動用了全球16臺射電望遠鏡，共同組成了一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。

　　16臺射電望遠鏡包括全球毫米波陣的14臺望遠鏡，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列，以及位于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，但是直至今日才正式發布。

　　“在初步處理數據后，我們從數據中注意到了前所未有的新特征。之后用了5年時間，經過復雜的數據處理和成圖過程，反復驗證和確認結果，才最終發布。”路如森說。

　　在將“生數據”處理成“熟數據”過程中，他們前后做了四次甚長基線干涉測量技術分析中的“互相關處理”以及相應的“相關后處理”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”重建觀測圖像的過程中，研究團隊也遇到了前所未有的挑戰。“這是一張視場很大的圖像，圖像里面包含著許多成分，且這些成分的亮度差異很大。通過匯聚遍布全球各地的許多合作者的經驗，經過各種嘗試和反復驗證，我們才克服這些困難。”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，并且將通過結合不同顏色的‘射電光’的圖像來獲得M87中心黑洞區域的多色視圖。”

　　在上海天文臺臺長、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，但為了揭示M87中央超大質量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準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，以及它和周圍環境的關系。”路如森說。

　　路如森還有一個更遠的目標：給黑洞拍“電影”。

　　“黑洞并不是靜止的，它每時每刻都在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’將要求我們在空間維度上再解鎖時間維度，以便全方位地觀測和理解黑洞。”路如森說。

　　對于5500萬光年外的M87星系來說，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的連續成像觀測，未來五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。

　　對于人類所居的銀河系中央的銀心黑洞，目前，EHT的望遠鏡分布，還不足以實現“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：“隨著更多望遠鏡的加入，人類將能達到所需的時間分辨率，并最終拍出‘黑洞電影’。”

　　相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05843-w