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圖為M87中心黑洞陰影、吸積流和噴流一起成像的全景圖。 |
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對人類首次“看見”的M87中心黑洞，科學家又有新的觀測進展。近日，中科院上海天文臺研究員路如森領銜的國際研究團隊，首次對該黑洞的陰影及其周圍環狀結構和強大噴流一同進行成像。這張“全景”照片使天文學家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。
4年前，一張來自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動。2019年4月10日，“事件視界望遠鏡”項目發布第一次拍到的黑洞照片，黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心。
如今，人類首次“看見”的黑洞，有了“全景”照。日前，由中國科學院上海天文臺路如森研究員領銜的一個國際研究團隊，通過在毫米波段的觀測，首次對M87中心黑洞的陰影及其周圍環狀結構和強大噴流一同進行了成像。
路如森介紹，此次的觀測結果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）聯合阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）和格陵蘭望遠鏡（GLT）獲得。相關成果4月26日在國際學術期刊《自然》上發表。
更全面地了解黑洞周圍的物理過程
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。噴流廣泛存在于宇宙中的許多天體中，如形成中的恒星、爆發中的激變變星、吸積中的黑洞等。
路如森說：“當噴流中物質速度接近光速時，該噴流被稱為相對論性噴流。大部分相對論性噴流與星系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，但是噴流與黑洞到底是什么關系？百年來，謎團始終未解。觀測工作正是在一步步地試圖解開這個謎團。而M87中心黑洞距離地球僅5500萬光年，質量約為65億個太陽，非常適合拍照研究。
“M87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，但這次在一個新的波段將M87中心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。”
“我們觀測到M87中心黑洞在3.5毫米波長的圖像也呈現‘甜甜圈’形態，比之前‘事件視界望遠鏡’在1.3毫米波長觀測到的‘甜甜圈’大了近50%，相當于月球上的宇航員回望地球時看一個直徑13厘米的環形補光燈的大小。”路如森說。
據了解，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，這使天文學家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。
協調南北半球射電望遠鏡開展同步觀測
如果說“事件視界望遠鏡”拍攝的照片是M87中心黑洞的“特寫”，那么，此次科研團隊拍攝到的就是M87中心黑洞的“全景”：有黑洞、黑洞周圍的吸積流以及從吸積盤附近延伸向遠處的噴流。
“事件視界望遠鏡”由8臺射電望遠鏡或陣列組成，大部分射電望遠鏡布局在北半球，空間采樣較為稀疏。此次參與觀測的射電望遠鏡陣列增加到了16臺，尤其是南半球射電望遠鏡的“助陣”，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中心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。而后，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。”路如森說。
接下來還要為黑洞拍攝動態照片
對M87中心黑洞的探索并沒有結束，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毫米波長照片，結合‘事件視界望遠鏡’未來拍攝的更清晰的1.3毫米波長照片，未來下一代‘事件視界望遠鏡’拍攝的0.8毫米波長照片，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’。”
“為了揭示M87中心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毫米波長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。”上海天文臺臺長沈志強研究員補充說。
研究團隊的另一個目標是拍攝“動態黑洞”。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”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓我們能夠全方位地觀測和理解黑洞。
由于M87中心黑洞變化緩慢，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5年也有持續的觀測計劃。
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’。”
《 人民日報 》（ 2023年05月04日 08 版）
