M87*，人類首次“看見”的那個黑洞

中國科學院上海天文臺路如森研究員領銜的國際團隊通過在毫米波段開展的新觀測，首次對射電星系M87的黑洞（M87*）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成像。圖像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。4月26日，路如森代表團隊對外公布了這一成果，相關研究也發表于新一期出版的國際學術期刊《自然》。

這是人類首次“看見”的黑洞。M87*是目前宇宙中所知質量最大的黑洞之一，約65億倍太陽質量，位于室女座星系團中央巨橢圓星系的中心，距離地球約5500萬光年，質量約為太陽的65億倍，是目前宇宙中所知質量最大的黑洞之一。2017年，事件視界望遠鏡（EHT）——一臺口徑等效于地球直徑的射電望遠鏡，成功拍攝到了M87*的照片，其外面一圈亮環圍繞著中間的陰影，長得像個“甜甜圈”。

M87星系有著長達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。>>詳情

M87在3.5毫米波長所觀測到的圖像，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為環狀結構（內嵌圖）。中國科學院上海天文臺供圖

陰影和強大噴流首次“全景”合照

由于EHT的視場比較小，只能拍攝到黑洞的“特寫”照片。為了拍到黑洞的“全景”照片，研究團隊把觀測波長設置為3.5毫米，并聯合了16臺望遠鏡（EHT的觀測聯合了8臺望遠鏡），成功將M87*的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現在一張照片中，比EHT在1.3毫米觀測到的“甜甜圈”大了近50%，并且看到其向遠處延展的“尾巴”，即黑洞的噴流。

EHT拍攝的照片是黑洞的“特寫”，看到亮環圍繞著中間的陰影。此次我們拍攝到黑洞的“全景”，在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流，以及從盤附近延伸向遠處的噴流。這張照片作為EHT照片的拓展，充分展現了黑洞和它周圍環境的關系。>>詳情

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日公布的同一個黑洞的照片，環狀結構在3.5毫米波長下變得更大、更厚。

幫助解釋黑洞與噴流的關系

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。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。但理論學家至今也沒能非常明確地解釋黑洞與噴流的關系，觀測工作也在一步步試圖解開這個謎團。

上海天文臺天文學家、中德馬普伙伴小組組長、論文第一作者路如森說，“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖?！焙诙粗車奈镔|在吸積過程中落入黑洞，但從來沒有人直接對它成像?！拔覀冎翱吹降沫h狀結構現在在3.5毫米波長下變得更大、更厚。這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質產生了額外的輻射。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程?！甭啡缟硎?。

位于德國波恩的馬普射電天文研究所（MPIfR）天體物理學家托馬斯·克里鮑姆（Thomas Krichbaum）說：“現在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，而且我們現在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環狀結構的直徑?！?a href="http://www.mywxwchina.com/cehua/Apr27thd/202304/711d2bc8d4a7429c8bfef9088b876f91.shtml">>>詳情

本次拍攝將16臺射電望遠鏡連起來，組成一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。

中國學者領銜全球16臺射電望遠鏡觀測

此次觀測結果來自于中國學者領銜的國際合作項目，成員來自17個國家和地區、64家研究單位，共計121位。相比于拍攝人類首張黑洞照片的“事件視界望遠鏡”聯合了8臺望遠鏡，本次拍攝是將16臺射電望遠鏡連起來，組成一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。

這16臺射電望遠鏡分別為全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）的14臺望遠鏡，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），以及位于格陵蘭島的格陵蘭望遠鏡（GLT）。

路如森表示，尤其是阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA），它是毫米波VLBI（甚長基線干涉測量）觀測中真正的游戲規則改變者，使得南北方向分辨率增加4倍，并可以“錨定”整個陣列?！皬臍v史脈絡來講，北半球比較發達，建了很多望遠鏡，但結果是在北半球的東西方向建了很多望遠鏡，南北方向上，南邊很缺望遠鏡，而我們這種成像需要各個方向都有望遠鏡分布?！?/p>

由于爭取到“巨無霸”級的望遠鏡ALMA加入觀測陣列，所有人都對拍攝結果抱有很高期待。初步處理數據后，研究團隊就在數據中注意到了前所未有的新特征，這給團隊成員很大激勵。經復雜的數據處理和成圖過程，及反復驗證和確認結果，最終在五年后呈現出這張史無前例的新圖像。>>詳情

M87星系中心超大質量黑洞（M87*）的圖像。上方為2017年4月11日的圖像，下方三個圖為M87*在2017年4月5日、6日和10日的圖像。圖中心的暗弱區域即為“黑洞陰影”，周圍的環狀不對稱結構是由于強引力透鏡效應和相對論性射束效應所造成的。

未來對M87的探索值得期待

“此次展現的3.5毫米波長圖像可以說是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、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?！鄙虾Ｌ煳呐_臺長沈志強研究員補充說。

下一步，上海天文臺計劃與EHT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，以及在更遙遠的未來空間VLBI拍攝的更短波長的照片。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”將帶來更多信息，幫助科學家更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環境的關系。

另一個目標則是拍攝“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，讓研究者能夠全方位的觀測和理解黑洞。對于M87黑洞，由于它變化緩慢，需要長時間的監測來拍攝它的變化，未來或許能拍到“黑洞電影”。>>詳情