研究人員首次在3.5毫米波長(zhǎng)對(duì)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(cè)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(cè)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(gè)顏色的黑洞照片，研究人員希望未來(lái)從顏色和時(shí)間維度上得到更多黑洞圖像。相比于“單色黑洞”，在不同觀測(cè)波長(zhǎng)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(dòng)態(tài)黑洞”將在空間維度上解鎖時(shí)間維度，讓人類能夠全方位觀測(cè)和理解黑洞。
(資料圖片)
研究人員首次在3.5毫米波長(zhǎng)對(duì)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(pán)附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。
由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用毫米波段開(kāi)展的新觀測(cè)，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(guó)際頂級(jí)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(cè)波長(zhǎng)上不會(huì)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(zhǎng)對(duì)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(cè)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(cè)到的“甜甜圈”大了近50%，它來(lái)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(shuō)EHT拍攝的照片是黑洞的“特寫(xiě)”，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(pán)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(shí)空區(qū)域，任何東西甚至是光（電磁波）都無(wú)法逃逸。因?yàn)楣鉄o(wú)法逃逸，所以稱之為“黑”，因?yàn)槲镔|(zhì)無(wú)法逃逸，所以稱之為“洞”。黑洞沒(méi)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(shí)出“無(wú)返回區(qū)”，即一切穿過(guò)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(zhǎng)、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(shí)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(cè)到的噴流。但理論學(xué)家至今也沒(méi)能非常明確地解釋黑洞與噴流的關(guān)系，觀測(cè)工作也在一步步試圖解開(kāi)這個(gè)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(yáng)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(wàn)光年。M87星系有著長(zhǎng)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(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用毫米波段開(kāi)展新觀測(cè)，目標(biāo)是研究噴流的形成，對(duì)黑洞的吸積盤(pán)（一種由彌散物質(zhì)組成的圍繞中心體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，它是包圍黑洞或中子星的氣體盤(pán)）內(nèi)區(qū)成像探測(cè)。研究人員首次對(duì)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(duì)論性噴流一同進(jìn)行了成像。
在3.5毫米波長(zhǎng)所觀測(cè)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(guò)程，及反復(fù)驗(yàn)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(cè)到了黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤(pán)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(tái)天文學(xué)家、中德馬普伙伴小組組長(zhǎng)、論文第一作者路如森說(shuō)，“以前我們?cè)趩为?dú)的圖像中分別看到過(guò)黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們?cè)谝粋€(gè)新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖。”黑洞周圍的物質(zhì)在吸積過(guò)程中落入黑洞，但從來(lái)沒(méi)有人直接對(duì)它成像。“我們之前看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)現(xiàn)在在3.5毫米波長(zhǎng)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(guò)程。”路如森表示。
此次觀測(cè)和人類首張黑洞照片中的黑洞為同一個(gè)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(méi)有看到？路如森表示，一方面“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的視場(chǎng)比較小，只能拍攝到黑洞的“特寫(xiě)”照片，離黑洞稍遠(yuǎn)一些的噴流沒(méi)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(chǎng)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(cè)波長(zhǎng)變化。噴流在本次觀測(cè)采取的3.5毫米觀測(cè)波長(zhǎng)上比較明亮，而在“事件視界望遠(yuǎn)鏡”采取的1.3毫米觀測(cè)波長(zhǎng)上稍微暗一些，這也可能是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”沒(méi)有拍到噴流的原因。
16臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，測(cè)得環(huán)狀結(jié)構(gòu)直徑大50%
此次觀測(cè)結(jié)果來(lái)自于中國(guó)學(xué)者領(lǐng)銜的國(guó)際合作項(xiàng)目，成員來(lái)自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)、64家研究單位，共計(jì)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(tái)望遠(yuǎn)鏡，本次拍攝是將16臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡連起來(lái)，組成一臺(tái)口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。
這16臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡分別為全球毫米波甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量陣列（Global mm-VLBI Array，GMVA）的14臺(tái)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(gè)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(zhǎng)基線干涉測(cè)量，Very Long Baseline Interferometry）觀測(cè)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(gè)陣列。“從歷史脈絡(luò)來(lái)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(gè)方向都有望遠(yuǎn)鏡分布。”
GMVA測(cè)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(shí)看到的一個(gè)13厘米的環(huán)形補(bǔ)光燈大小。這個(gè)直徑比“事件視界望遠(yuǎn)鏡”此前在1.3毫米觀測(cè)中所看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)要大50%，符合對(duì)該區(qū)域相對(duì)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(gè)黑洞的照片，環(huán)狀結(jié)構(gòu)在3.5毫米波長(zhǎng)下變得更大、更厚。
位于德國(guó)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(shuō)，“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(gè)波段測(cè)量黑洞周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑。”
M87的射電輻射由高能電子和磁場(chǎng)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(zhǎng)，新的觀測(cè)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(gè)更大、更厚的環(huán)的物理來(lái)源，研究人員使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)測(cè)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(guó)立天文臺(tái)的Kazuhiro Hada補(bǔ)充說(shuō)：“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(lái)，造成黑洞周圍的湍流和混亂。”
M87星系探索史：未來(lái)希望得到“彩色黑洞”和“黑洞電影”
1781年，法國(guó)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(gè)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(gè)天體。
1918年，美國(guó)天文學(xué)家希伯·柯蒂斯首次觀測(cè)到M87的噴流，這也是人類歷史上第一次觀測(cè)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(lái)，隨著對(duì)宇宙認(rèn)知的拓展，人們逐漸意識(shí)到M87并不是星云，而是一個(gè)星系。
1947年，人們觀測(cè)到M87位置處的射電源，命名為室女座A。隨后證實(shí)室女座A的射電信號(hào)就來(lái)自于M87。于是M87成為知名的射電星系，吸引了無(wú)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(gè)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(duì)稱結(jié)構(gòu)是由于強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)和相對(duì)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(zhǎng)得像個(gè)“甜甜圈”，外面一圈亮環(huán)，圍繞著中間的陰影。
但對(duì)M87星系的探索并沒(méi)有結(jié)束，未來(lái)進(jìn)一步的觀測(cè)和強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開(kāi)它的神秘面紗。韓國(guó)天文和空間科學(xué)研究所的Jongho Park說(shuō)：“未來(lái)毫米波觀測(cè)將研究M87*黑洞的時(shí)間演變并且將通過(guò)結(jié)合不同顏色的射電光的圖像來(lái)獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。”
上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)的黑洞照片，以及在長(zhǎng)至7.0毫米波長(zhǎng)的黑洞和噴流的全景圖像。
路如森表示，在新的波段對(duì)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(gè)顏色的黑洞照片。“未來(lái)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(dòng)畫(huà)，從顏色和時(shí)間維度上得到更多的黑洞圖像，不但讓黑洞 ‘靚’起來(lái)，也讓它動(dòng)起來(lái)。”但目前得到更多顏色的黑洞圖像的問(wèn)題仍是望遠(yuǎn)鏡陣列不夠多。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)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(cè)波長(zhǎng)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(lái)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝的更清晰的1.3毫米照片，未來(lái)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(lái)空間VLBI拍攝的更短波長(zhǎng)的照片，人類可以得到黑洞的“彩色照片”。由于不同波長(zhǎng)的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過(guò)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(shí)每刻都在和周圍環(huán)境相互作用，因此不同時(shí)刻看它，黑洞是不一樣的。拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時(shí)間維度，讓人類能夠全方位觀測(cè)和理解黑洞。對(duì)于M87*，由于它變化緩慢，需要長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)來(lái)拍攝它的變化。“事件視界望遠(yuǎn)鏡”在過(guò)去幾年進(jìn)行了多次連續(xù)成像觀測(cè)，未來(lái)五年也有持續(xù)的觀測(cè)計(jì)劃。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)M87*在10年時(shí)間跨度上的電影。針對(duì)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(dòng)態(tài)攝影，“丟幀”嚴(yán)重。但隨著未來(lái)幾年更多望遠(yuǎn)鏡的加入，將能達(dá)到所需時(shí)間分辨率，拍到“黑洞電影”。