【全球热闻】黑洞“甜甜圈”新照片！天文学家首次拍摄到黑洞与喷流“全景照”

2023-04-27 06:56:31 来源:齐鲁晚报·齐鲁壹点

大家一定记得，4年前，一张来自宇宙深处的“甜甜圈”照片轰动全球。2019年4月10日，“事件视界望远镜”项目发布他们第一次拍到的黑洞照片，揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，照片上的M87黑洞仿佛一个模糊的橙色甜甜圈，从此“甜甜圈”成了M87黑洞的昵称。

(资料图)

4年后的今天，黑洞“甜甜圈”有了更奇妙的新照片。日前，由中国科学院上海天文台路如森研究员领衔的17个国家和地区共64家研究单位的121位科研人员组成的国际研究团队，利用3.5毫米波段开展的新观测，首次对M87中心黑洞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了成像。

北京时间4月26日，这一成果发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。在中国科学院上海天文台召开新闻发布会上，论文的第一作者路如森介绍，此次观测结果由全球毫米波甚长基线干涉测量阵列联合阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列和格陵兰望远镜获得。“该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”。

M87中心黑洞最新照片。中国科学院上海天文台供

新观测波段上，M87中心黑洞不再“孤单”

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的中的许多天体中，如处形成中的恒星、爆发中的激变变星，吸积中的黑洞等等。

路如森说：“当喷流中物质速度接近光速时，该喷流被称之为相对论性喷流。大部分相对论性喷流与星系的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的天文现象，但是喷流与黑洞到底什么关系，百年来，谜团始终未解。

理论学家认为，黑洞不仅在“吃”（吸积物质），同时也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物质速度快、方向性好，自然就形成了所观测到的喷流。但需要说明的是，理论学家至今也没能非常明确地解释好黑洞与喷流的关系，观测工作也是在一步步试图解开这个谜团。

只是宇宙中的黑洞千千万万，为什么要选M87观测拍照？天文学家们说，选作观测的黑洞最好又亮、又大、离地球较近，挑来选去，只有M87和银河系中心黑洞这两个最适合。但由于角度的缘故，银河系中心黑洞辐射的光亮被气体和尘埃组成的一个稠密云团封堵，很少能到达地球，导致成像模糊不清。相比之下，M87中心黑洞距离地球仅5500万光年，质量相当于65亿个太阳，又大又亮位置刚刚好，而且“坐姿稳定”不会“晃来晃去”，非常适合拍照研究。

“M87星系有着明亮的长达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、掉进黑洞或被喷出的，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，但现在我们首次在一个新的波段将M87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。”

此前，人们认为用地球上的望远镜在3.5毫米观测波长上不会看到黑洞“甜甜圈”，但此次观测真真切切地“获得”一个比此前更大的“甜甜圈”，而它来自于黑洞周围的吸积流。

“M87中心黑洞在3.5毫米观测波段也呈现‘甜甜圈’形态，比之前事件视界望远镜在1.3毫米观测到的‘甜甜圈’大了近50%，相当于月球上的宇航员回望地球时看到的一个13厘米的环形补光灯。”路如森说，“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，使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程”。

路如森研究员介绍M87中心黑洞最新研究成果。黄晓慧摄

换个频道看黑洞，“甜甜圈”新照片充分展现黑洞和周围环境关系

如果说“橙色甜甜圈”照片是M87中心黑洞的“特写”，看到亮环围绕着中间的阴影，那么，此次科研团队拍摄到的就是M87中心黑洞的“全景”。从1.3毫米波段到3.5毫米波段，可谓换了个频道看黑洞。在这张“全景”照片中，有黑洞、黑洞周围的吸积流、以及从盘附近延伸向远处的喷流，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。

天文发烧友们不禁要问，为什么换了个波段，黑洞“甜甜圈”就翻出了新花样？

“打个可能不是完全贴切的比方，这好比拿相机拍出的人像面容姣好，拿X光拍照拍出来的都是人的骨骼。”路如森如是解释。

事件视界望远镜由8台射电望远镜或阵列组成，由于大部分射电望远镜布局在北半球，空间采样较为稀疏，“橙色甜甜圈”照片只有“特写”而无“全景”。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”，位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列，以及格陵兰望远镜的加入，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。尔后，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。”

分辨本领的提高，让研究团队获得了新的视角。“我们确实看到了我们在此前观测中就已了解到的M87中心黑洞的三齿状的喷流。”研究团队成员、德国马普射电天文研究所的托马斯﹒克里奇鲍姆（Thomas Krichbaum）说，“我们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，而且现在也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径。”

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。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。它们还告诉人们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慢，只将其中一小部分转化为辐射。

研究团队成员、日本国立天文台的秦和弘（Kazuhiro Hada）说：“我们还在数据中发现了一些令人惊讶的事情——在靠近黑洞的内部区域，辐射的宽度比我们预期的要宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入，也可能有一股‘风’吹出来，造成黑洞周围的湍流和混乱”。

这些新发现让人们心生期待：此次观测能否揭开M87中心黑洞的形成之谜？

路如森表示，M87中心黑洞已演化到了稳定阶段，科学家们利用事件视界望远镜观测及其它的多波段观测数据来研究黑洞及其周围环境的现状，但尚无法回答黑洞形成阶段的问题。

参与观测的16台射电望远镜阵列分布图。中国科学院上海天文台供

下一目标——拍彩照拍电影，让黑洞靓起来、动起来

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”。

“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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