4年前，一張來自宇宙深處的“甜甜圈”照片轟動全球。2019年4月10日，“事件視界望遠鏡”項目發布他們第一次拍到的黑洞照片，揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞，照片上的M87黑洞仿佛一個模糊的橙色甜甜圈，從此，“甜甜圈”成了M87黑洞的昵稱。

4年后的今天，黑洞“甜甜圈”有了更奇妙的新照片。日前，由中國科學院上海天文台路如森研究員領銜的17個國家和地區、共64家研究單位的121位科研人員組成的國際研究團隊，利用3.5毫米波段開展的新觀測，首次對M87中心黑洞陰影以及其周圍吸積落入中央黑洞的物質的環狀結構和強大的相對論性噴流一同進行了成像。

北京時間4月26日，這一成果發表在國際頂級學術期刊《自然》雜志上。在中國科學院上海天文台召開新聞發布會上，論文的第一作者路如森介紹，此次觀測結果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列聯合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和格陵蘭望遠鏡獲得。“該圖像首次表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯系”。

M87中心黑洞最新照片。中國科學院上海天文台供

新觀測波段上，M87中心黑洞不再“孤單”

噴流是一種天文現象，看上去像一條火焰柱，人們將具有定向、狹長、高速的電離物質外流稱為噴流。噴流廣泛存在於宇宙的中的許多天體中，如處形成中的恆星、爆發中的激變變星，吸積中的黑洞等等。

路如森說：“當噴流中物質速度接近光速時，該噴流被稱之為相對論性噴流。大部分相對論性噴流與星系的中心的超大質量黑洞有關。”

早在1918年，天文學家就已經觀測到噴流的天文現象，但是噴流與黑洞到底什麼關系，百年來，謎團始終未解。

理論學家認為，黑洞不僅在“吃”（吸積物質），同時也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質速度快、方向性好，自然就形成了所觀測到的噴流。但需要說明的是，理論學家至今也沒能非常明確地解釋好黑洞與噴流的關系，觀測工作也是在一步步試圖解開這個謎團。

宇宙中的黑洞千千萬萬，為什麼要選M87觀測拍照？天文學家們說，選作觀測的黑洞最好又亮、又大、離地球較近，挑來選去，隻有M87和銀河系中心黑洞這兩個最適合。但由於角度的緣故，銀河系中心黑洞輻射的光亮被氣體和塵埃組成的一個稠密雲團封堵，很少能到達地球，導致成像模糊不清。相比之下，M87中心黑洞距離地球僅5500萬光年，質量相當於65億個太陽，又大又亮位置剛剛好，而且“坐姿穩定”不會“晃來晃去”，非常適合拍照研究。

“M87星系有著明亮的長達5000光年的噴流，而M87中心黑洞正是噴流的源頭。因此，給它拍照可以幫助我們理解黑洞附近的環境，觀察黑洞周圍的物質是如何繞轉、掉進黑洞或被噴出的，進而研究黑洞和噴流的關系。”路如森說，黑洞周圍的物質被認為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是從來沒有人直接對它進行過成像。“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現在我們首次在一個新的波段將M87黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現在同一張照片之中。”

此前，人們認為用地球上的望遠鏡在3.5毫米觀測波長上不會看到黑洞“甜甜圈”，但此次觀測真真切切地“獲得”一個比此前更大的“甜甜圈”，而它來自於黑洞周圍的吸積流。

“M87中心黑洞在3.5毫米觀測波段也呈現‘甜甜圈’形態，比之前事件視界望遠鏡在1.3毫米觀測到的‘甜甜圈’大了近50%，相當於月球上的宇航員回望地球時看到的一個13厘米的環形補光燈。”路如森說，“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，使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程”。

路如森研究員介紹M87中心黑洞最新研究成果。黃曉慧攝

換個頻道看黑洞，“甜甜圈”新照片充分展現黑洞和周圍環境關系

如果說“橙色甜甜圈”照片是M87中心黑洞的“特寫”，看到亮環圍繞著中間的陰影，那麼，此次科研團隊拍攝到的就是M87中心黑洞的“全景”。從1.3毫米波段到3.5毫米波段，可謂換了個頻道看黑洞。在這張“全景”照片中，有黑洞、黑洞周圍的吸積流、以及從盤附近延伸向遠處的噴流，充分展現了黑洞和它周圍環境的關系。

天文發燒友們不禁要問，為什麼換了個波段，黑洞“甜甜圈”就翻出了新花樣？

“打個可能不是完全貼切的比方，這好比拿相機拍出的人像面容姣好，拿X光拍照拍出來的都是人的骨骼。”路如森如是解釋。

事件視界望遠鏡由8台射電望遠鏡或陣列組成，由於大部分射電望遠鏡布局在北半球，空間採樣較為稀疏，“橙色甜甜圈”照片隻有“特寫”而無“全景”。此次參與觀測的射電望遠鏡陣列增加到了16台，尤其是南半球射電望遠鏡的“助陣”，位於智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列，以及格陵蘭望遠鏡的加入，大大提高了觀測拍攝的分辨率和靈敏度，使得研究團隊首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環狀結構進行了成像。

然而，要協調遍布全球的射電望遠鏡同步觀測絕非易事。“在這一頭，太陽落山了，望遠鏡看不到了，而另一個地方，太陽剛剛升起，觀測正當時。”路如森說，對人類天文學事業孜孜不倦的共同追求，讓研究團隊不畏艱辛，克服了時差、地域等困難，最終完成了2018年4月14日至15日長達十幾個小時的觀測拍攝。爾后，又經過了長達5年的數據處理和成像工作，得到這張彌足珍貴的新照片。“‘沖洗照片’和理論解釋的過程同樣傾注了全球科學家的心血，沒有國際科研合作，就無法完成如此艱巨繁瑣的工作。”

分辨本領的提高，讓研究團隊獲得了新的視角。“我們確實看到了我們在此前觀測中就已了解到的M87中心黑洞的三齒狀的噴流。”研究團隊成員、德國馬普射電天文研究所的托馬斯﹒克裡奇鮑姆（Thomas Krichbaum）說，“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，而且現在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環狀結構的直徑。”

來自M87的射電輻射是由高能電子和磁場的相互作用產生的，這種現象被稱為同步輻射。新的觀測結果揭示了有關這些電子的位置和能量的更多細節。它們還告訴人們一些關於黑洞本身的性質——它不是“很餓”，它消耗物質的速度很慢，隻將其中一小部分轉化為輻射。

研究團隊成員、日本國立天文台的秦和弘（Kazuhiro Hada）說：“我們還在數據中發現了一些令人驚訝的事情——在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度比我們預期的要寬。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”。

這些新發現讓人們新生期待：此次觀測能否揭開M87中心黑洞的形成之謎？

路如森表示，M87中心黑洞已演化到了穩定階段，科學家們利用事件視界望遠鏡觀測及其它的多波段觀測數據來研究黑洞及其周圍環境的現狀，但尚無法回答黑洞形成階段的問題。

參與觀測的16台射電望遠鏡陣列分布圖。中國科學院上海天文台供

下一目標——拍彩照拍電影，讓黑洞靚起來、動起來

對M87中心黑洞的探索並沒有結束，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。

研究團隊透露，下一步的目標是與事件視界望遠鏡一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀測波長上給黑洞拍照。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”將帶來更多信息，幫助人們更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環境的關系。

路如森說：“我們將拍攝更清晰的3.5毫米照片，結合事件視界望遠鏡未來拍攝的更清晰的1.3毫米照片、下一代事件視界望遠鏡拍攝的0.8毫米照片，以及在更遙遠的未來空間甚長基線干涉測量拍攝的更短波長的照片，我們可以得到黑洞的‘彩色照片’。”

研究團隊成員、韓國天文和空間科學研究所的朴鐘浩（Jongho Park）說：“未來毫米波觀測將研究M87中心黑洞的時間演變並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”。

“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、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，未來非常令人期待。”上海天文台台長沈志強說。

研究團隊的另一個目標是拍攝“動態黑洞”。黑洞並不是靜止的，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”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓人們能夠全方位地觀測和理解黑洞。

對於M87中心黑洞，由於它變化緩慢，需要長時間的監測來拍攝它的變化。事件視界望遠鏡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中心黑洞在10年時間跨度上的電影。

路如森說：“針對快速變化的銀心黑洞，目前事件視界望遠鏡的望遠鏡分布不足以實現‘快拍模式’的動態攝影，‘丟幀’嚴重。但隨著未來幾年更多望遠鏡的加入，將能達到所需時間分辨率，拍到‘黑洞電影’。”

（來源：人民日報中央廚房-大江東工作室）

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