发表于 2023-5-4 20:50:03
图为 M87 中心黑洞阴影、吸积流和喷流一起成像的全景图。
中国科学院上海天文台供图
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对人类首次 " 看见 " 的 M87 中心黑洞，科学家又有新的观测进展。近日，中科院上海天文台研究员路如森领衔的国际研究团队，首次对该黑洞的阴影及其周围环状结构和强大喷流一同进行成像。这张 " 全景 " 照片使天文学家能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。
4 年前，一张来自宇宙深处的 " 甜甜圈 " 状黑洞照片引起轰动。2019 年 4 月 10 日，" 事件视界望远镜 " 项目发布第一次拍到的黑洞照片，黑洞位于室女座一个巨椭圆星系 M87 的中心。
如今，人类首次 " 看见 " 的黑洞，有了 " 全景 " 照。日前，由中国科学院上海天文台路如森研究员领衔的一个国际研究团队，通过在毫米波段的观测，首次对 M87 中心黑洞的阴影及其周围环状结构和强大喷流一同进行了成像。
路如森介绍，此次的观测结果由全球毫米波甚长基线干涉测量阵列（GMVA）联合阿塔卡马大型毫米波 / 亚毫米波阵列（ALMA）和格陵兰望远镜（GLT）获得。相关成果 4 月 26 日在国际学术期刊《自然》上发表。
更全面地了解黑洞周围的物理过程
喷流是一种天文现象，看上去像一条火焰柱。人们将具有定向、狭长、高速的电离物质外流称为喷流。喷流广泛存在于宇宙中的许多天体中，如形成中的恒星、爆发中的激变变星、吸积中的黑洞等。
路如森说：" 当喷流中物质速度接近光速时，该喷流被称为相对论性喷流。大部分相对论性喷流与星系中心的超大质量黑洞有关。"
早在 1918 年，天文学家就已经观测到喷流，但是喷流与黑洞到底是什么关系？百年来，谜团始终未解。观测工作正是在一步步地试图解开这个谜团。而 M87 中心黑洞距离地球仅 5500 万光年，质量约为 65 亿个太阳，非常适合拍照研究。
"M87 有着明亮的长达 5000 光年的喷流，而 M87 中心黑洞正是喷流的源头。因此，给它拍照可以帮助我们理解黑洞附近的环境，观察黑洞周围的物质是如何绕转、掉进或被喷出的，进而研究黑洞和喷流的关系。" 路如森说，黑洞周围的物质被认为是在一个被称为吸积的过程中落入黑洞的，但是从来没有人直接对它进行过成像，" 以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但这次在一个新的波段将 M87 中心黑洞的阴影以及其周围吸积流和喷流呈现在同一张照片之中。"
" 我们观测到 M87 中心黑洞在 3.5 毫米波长的图像也呈现‘甜甜圈’形态，比之前‘事件视界望远镜’在 1.3 毫米波长观测到的‘甜甜圈’大了近 50%，相当于月球上的宇航员回望地球时看一个直径 13 厘米的环形补光灯的大小。" 路如森说。
据了解，在新的图像中可以看到落入黑洞的物质产生了额外的辐射，这使天文学家能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。
协调南北半球射电望远镜开展同步观测
如果说 " 事件视界望远镜 " 拍摄的照片是 M87 中心黑洞的 " 特写 "，那么，此次科研团队拍摄到的就是 M87 中心黑洞的 " 全景 "：有黑洞、黑洞周围的吸积流以及从吸积盘附近延伸向远处的喷流。
" 事件视界望远镜 " 由 8 台射电望远镜或阵列组成，大部分射电望远镜布局在北半球，空间采样较为稀疏。此次参与观测的射电望远镜阵列增加到了 16 台，尤其是南半球射电望远镜的 " 助阵 "，大大提高了观测拍摄的分辨率和灵敏度，使得研究团队首次在 3.5 毫米波长对 M87 中心黑洞周围的环状结构进行了成像。
然而，要协调遍布全球的射电望远镜同步观测绝非易事。
" 在这一头，太阳落山了，望远镜看不到了，而另一个地方，太阳刚刚升起，观测正当时。" 路如森说，对人类天文学事业孜孜不倦的共同追求，让研究团队不畏艰辛，克服了时差、地域等困难，最终完成了 2018 年 4 月 14 日至 15 日长达十几个小时的观测拍摄。而后，又经过了长达 5 年的数据处理和成像工作，得到这张弥足珍贵的新照片。" ‘冲洗照片’和理论解释的过程同样倾注了全球科学家的心血，没有国际科研合作，就无法完成如此艰巨繁琐的工作。" 路如森说。
接下来还要为黑洞拍摄动态照片
对 M87 中心黑洞的探索并没有结束，进一步的观测和强大的望远镜阵列将继续揭开它的神秘面纱。
研究团队透露，下一步的目标是与 " 事件视界望远镜 " 一起拍摄 " 彩色黑洞 "。所谓 " 彩色 " 就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程，相比于 " 单色黑洞 "，" 彩色黑洞 " 将带给我们更多信息，帮助我们更好理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。
路如森说：" 我们将拍摄更清晰的 3.5 毫米波长照片，结合‘事件视界望远镜’未来拍摄的更清晰的 1.3 毫米波长照片，未来下一代‘事件视界望远镜’拍摄的 0.8 毫米波长照片，以及在更遥远的未来空间甚长基线干涉测量拍摄的更短波长的照片，我们可以得到黑洞的‘彩色照片’。"
" 为了揭示 M87 中心超大质量黑洞及其相对论性喷流的形成、加速、准直传播的物理机制之谜，我们需要拍摄更多色的高质量图像，包括在 0.8 毫米波长或更短的亚毫米波波长的黑洞照片，以及在长至 7.0 毫米波长的黑洞和喷流的全景图像，未来非常令人期待。" 上海天文台台长沈志强研究员补充说。
研究团队的另一个目标是拍摄 " 动态黑洞 "。黑洞并不是静止的，它每时每刻都在和周围环境相互作用，因此不同时刻看它，它是不一样的。拍摄 " 动态黑洞 " 将在空间维度上再解锁时间维度，让我们能够全方位地观测和理解黑洞。
由于 M87 中心黑洞变化缓慢，需要长时间的监测来拍摄它的变化。" 事件视界望远镜 " 在过去几年进行了多次的连续成像观测，未来 5 年也有持续的观测计划。
路如森说：" 针对快速变化的银心黑洞，目前‘事件视界望远镜’的望远镜分布不足以实现‘快拍模式’的动态摄影，‘丢帧’严重。但随着未来几年更多望远镜的加入，将能达到所需时间分辨率，拍到‘黑洞电影’。"
《 人民日报 》（ 2023 年 05 月 04 日 08 版）
( 责编：胡永秋、袁勃 )
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