当前快报:“甜甜圈”黑洞有了“全景”照 克服许多难题 冲洗耗时五年

黑洞长什么样？2019年4月，“事件视界望远镜”合作组织EHT发布了人类历史上第一张黑洞照片，引发了全球高度关注，该黑洞被称为M87，其酷似甜甜圈的形象给人们留下了十分深刻的印象。从人们印象中的“红色加热器”，到如今有了更多的细节。

记者从中国科学院获悉，科学家通过在毫米波段的观测，首次对这个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，图像首次表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。

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人类捕获的第一张黑洞照片。图源：央视网

人类首次“看见”的那个黑洞，位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍，它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。

2019年4月10日，科学家们首次发布了M87黑洞的图像，并在此后持续开展对M87黑洞的观测研究。

该研究由中科院上海天文台研究员路如森领导的国际研究团队完成，团队利用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）获得此次观测结果，相关成果26日在国际学术期刊《自然》发表。

“以前，我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，这次则是在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图，可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的。”路如森说。

“此次观测还揭示了M87黑洞的更多细节，有助于更全面了解黑洞周围的物理过程。”路如森说。

“对M87的探索并没有结束，我们将拍摄更多色的高质量图像，为揭示M87中央超大质量黑洞及其喷流形成、加速、准直传播的物理机制之谜作出更多贡献。”中科院上海天文台台长沈志强说。

M87黑洞阴影、吸积流和喷流一起成像的全景图。图源：中国科学院上海天文台

据了解，与此前“事件视界望远镜”合作组织拍摄的照片不同的是，之前的是黑洞的“特写”，人们能够看到的是亮环围绕着中间的黑洞阴影。而这次拍摄到的则是“全景”，在这张照片中有黑洞、黑洞周围的吸积流以及从吸积盘附近延伸向远处的喷流。作为事件视界望远镜黑洞照片的拓展，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。

上海天文台的天文学家、中德马普伙伴小组组长、论文的第一作者路如森表示，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。“我们之前看到的环状结构在3.5毫米波长变得更大、更厚。这表明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。这使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。”

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/亚毫米阵列（ALMA）和格陵兰望远镜（GLT）获得。ALMA和GLT的参与提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度。

来自M87的射电辐射是由高能电子和磁场的相互作用产生的，这种现象被称为同步辐射。在3.5毫米波长，新的观测结果揭示了有关这些电子的位置和能量的更多细节。它们还揭示了一些关于黑洞本身的性质：它不是“很饿”。它消耗物质的速度很低，只将其中一小部分转化为辐射。

参与观测的16台射电望远镜阵列分布图。图源：中国科学院上海天文台

中国科学家领衔的国际团队首次呈现了黑洞和喷流的“全景”照。

北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授介绍，这次是在2019年人类首张黑洞照片的基础上，进一步验证了大质量黑洞的存在。并通过完整的成像，使人们进一步了解了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流之间的联系，比此前大了近50%，还有了长长的“尾巴”。

中国科学院上海天文台路如森研究员领衔的国际团队通过在毫米波段开展的新观测，首次对射电星系M87的黑洞(M87*)阴影，以及其周围吸积落入中央黑洞的物质的环状结构和强大的相对论性喷流一同进行成像。图像表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。

实际上，这张特殊的黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍摄的。一张照片的冲洗耗时五年，克服了许多难题。

M87星系的中心黑洞能驱动能量巨大的喷流，速度接近光速，可以延展至星系以外很远处。

根据M87黑洞的质量，科学家可以估算出它的黑洞事件视界直径约为400亿公里，而冥王星到太阳的距离也仅为58亿公里。

关于黑洞的形成，科学界目前认为恒星质量级的黑洞是由大质量恒星演化晚期坍缩形成，但星系中央的超大质量黑洞是如何形成的，仍是未解之谜。

图源：视觉中国

目前M87黑洞已演化到了稳定阶段，科学家们利用事件视界望远镜及其它的多波段观测数据得到的诸多限制来研究黑洞及其周围环境的现状，但仍无法回答黑洞形成阶段的问题。

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”将带来更多信息，帮助人们更好地理解黑洞本身，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毫米照片，结合事件视界望远镜未来拍摄的更清晰的1.3毫米照片、下一代事件视界望远镜拍摄的0.8毫米照片，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’。”

研究团队成员、韩国天文和空间科学研究所的朴钟浩（Jongho Park）说：“未来毫米波观测将研究M87中心黑洞的时间演变并且将通过结合不同颜色的‘射电光’的图像来获得M87中心黑洞区域的多色视图”。

图源：视觉中国

“此次展现的3.5毫米波长图像代表了当前的最新成就。但为了揭示M87中央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，让人们能够全方位地观测和理解黑洞。

对于M87中心黑洞，由于它变化缓慢，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，未来五年也有持续的观测计划。这些观测数据将呈现M87中心黑洞在10年时间跨度上的电影。

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’。”

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