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最新发布的全球首张黑洞阴影与强大喷流的合影

2019年发布的世界首张黑洞照片

M87黑洞的喷流与吸积盘的示意图

在不同波段拍摄的M87黑洞景象

　　大名鼎鼎的M87黑洞照片又上新了！这一次，黑洞“甜甜圈”不仅变大、变厚，上面还多了一把喷流“三叉戟”。

　　昨天深夜，全球首张黑洞阴影与强大喷流的合影在国际著名学术期刊《自然》上线。这是继2019年发布首张黑洞剪影之后，全球天文学家的又一次重磅发布。这幅最新图像首次表明了星系中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。

　　“可以说，我们给黑洞之家——活动星系核，拍了张合照。”该工作由澳门赌场上海天文台研究员、中德马普伙伴小组组长路如森领导的一个国际研究团队完成，共有121位作者，涉及17个国家和地区的64家研究单位。

　　换个频道，“甜甜圈”变大了50%

　　新照片的主角，仍是位于距离地球5500万光年的室女座星系中央的超大质量黑洞M87，约65亿倍太阳质量。

　　拍摄首张黑洞照片时，事件视界望远镜（EHT）对M87的观测是在1.3毫米波段上。而这次，天文学家们换了个频道，在3.5毫米波段上对M87进行成像，结果发现那个温煦的橙色“甜甜圈”比之前变大了50%，也显得更厚了。

　　“变大变厚，说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。”路如森解释，“甜甜圈”变大可能是因为黑洞周围的吸积流。

　　理论物理学家一直认为，黑洞周围的物质在一个被称为“吸积”的过程中落入黑洞，但从未直接对它进行过成像。“受黑洞引力扭曲的时空，会使吸积过程中发出的光子绕黑洞转圈，能量低的转得少，就直接落入观测者的眼中，能量高的则会绕转很多圈。”路如森说，当观测波段降低，就会看到更多光子，“甜甜圈”也就变得更大、更厚。

　　理论上，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。

　　M87黑洞的喷流长达5000光年，还十分明亮，天文学家曾为它在不同波段拍摄过很多照片，真可谓“远近高低各不同”。但他们从未看清，喷流与黑洞是如何连接的。

　　这一次，天文学家终于看到了。路如森告诉记者，过去大家都以为喷流是垂直从黑洞喷出的，但从这次成像来看，它其实也有结构——好像一把三叉戟。而且，吸积盘也并不是之前想象中的薄薄一层，可能它会产生风，约束了喷流的形状。

　　北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授认为，这张照片是黑洞研究中的一个重要里程碑，“喷流与黑洞的光环是如何连接的，这是天文学家几十年来想弄清的奥秘，现在终于有了初步进展”。而且，这次发现对已经提出30多年的吸积流理论模型，也发起了挑战。

　　换个思路，黑洞“家庭成员”实现同框

　　在本次公布的新照片中，不仅有黑洞，还有黑洞周围的吸积流，以及从吸积盘附近延伸向远处的喷流。这张照片作为EHT照片的拓展，充分展现了黑洞与它周围环境的关系。

　　为何过去天文学家一直没能拍摄到黑洞“家庭成员”的同框照片？这与一个思维盲区的突破有关。

　　4年前发布的首张黑洞照片，其实是一张黑洞阴影的“特写”。由于观测波段频率较高，EHT只动用了符合观测要求的8台望远镜。

　　“当焦距拉长，视场就会变小。所以，在1.3毫米波段，喷流等黑洞周围环境很难同时被观测到。”路如森说，其实当时很多天文学家都不认为在3.5毫米波段可以看到“甜甜圈”，而正是这一思维盲区，使得中国天文学家有机会领导了此次最新的观测与发现。

　　由于降低了观测波段，更多望远镜加入了此次黑洞“全景”的拍摄。新照片摄于2018年4月14日至15日，由14台望远镜组成的全球毫米波甚长基线干涉测量（VLBI）阵列（GMVA）、阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）和格陵兰望远镜（GLT）连在一起，组成了一台口径等效于地球直径的望远镜。

　　路如森介绍，GMVA的望远镜分布有个严重问题，即“北多南少”，这就造成黑洞拍摄中南北方向分辨率不足。建于智利北部的ALMA的加入，使南北方向分辨率增加了4倍，并可“锚定”整个阵列，“ALMA是毫米波VLBI观测中真正的游戏规则改变者，GLT更是锦上添花”。

　　正因为有了这些“摄影师”的全新加盟，才获得了令人期待的拍摄结果。数据经初步处理后，观测团队就在其中注意到了前所未有的新特征，这让大家备受鼓舞。

　　在经历了长达五年的复杂数据处理和成图过程，以及反复验证和确认结果后，这张史无前例的新图像终于呈现在世人面前。

　　在3.5毫米波长上，新的观测结果还揭示了有关M87所发出的同步辐射（由高能电子和磁场的相互作用产生的光）的更多细节。天文学家发现，黑洞原来不是“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。

　　来自日本国立天文台的研究人员秦和弘补充说，在靠近黑洞的内部区域，辐射的宽度比预期更宽。这可能意味着黑洞周围不仅有气体落入，也可能有一股“风”吹出来，造成黑洞周围的湍流和混乱。

　　升级设备，黑洞彩照、黑洞电影皆可期

　　为什么此次黑洞成像依然选择M87？路如森认为，M87是一个活动的星系核，离地球比较近，个头又很大，而且它的喷流长而明亮。为M87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，进而研究黑洞与喷流的关系。

　　与首张“甜甜圈”相比，这次的照片出现了两种色彩。下一步，天文学家希望能够拍摄“彩色黑洞”。所谓“彩色”，指的是在不同的观测波长上为黑洞成像。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，“彩色黑洞”将帮助人类更好理解黑洞本身及其与周围环境的关系。

　　EHT合作组织中国协调人、澳门赌场上海天文台台长沈志强研究员表示，除了拍摄更清晰的3.5毫米、1.3毫米波段照片，下一代EHT还将在0.8毫米波段拍摄照片。“未来，空间VLBI将可拍摄到更短波长的照片，我们由此就能得到黑洞的‘彩色照片’。”

　　此外，天文学家还打算拍摄“动态黑洞”。这将在空间维度上再解锁时间维度，让天文学家能够全方位观测和理解黑洞。“M87黑洞变化缓慢，EHT将用十年跨度的连续成像呈现M87的电影。”沈志强介绍，针对快速变化的银河系中心黑洞，目前EHT还无法实现“快拍模式”，但随着更多望远镜的加入，拍摄动态黑洞所需的时间分辨率有望达到。他表示，之前亚毫米波天文观测设施多分布在西半球，难以实现全天24小时黑洞的动态成像，希望未来几年会有中国的望远镜加入EHT的阵列。

　　据悉，以下一代黑洞动态成像和黑洞多彩成像为主要科学目标，上海天文台已于2021年提出建设综合性能达到国际先进水平的15米口径亚毫米波天文研究望远镜，目前已启动5米口径的原型机研制，并在西藏地区开展了初步选址工作。针对黑洞多彩成像，上海天文台还启动了天马望远镜三频观测模式的研制。

（原载于《文汇报》 2023-04-27 第3版 要闻）