16個(gè)參與觀測(cè)的臺(tái)站。MPIfR/Helge Rottmann 圖 

M87黑洞長什么樣？從人們印象中的“紅色加熱器”，到如今有了更多的細(xì)節(jié)。

2019年4月10日21時(shí)07分，比利時(shí)布魯塞爾、中國上海等六地共同發(fā)布來自事件視界望遠(yuǎn)鏡的一項(xiàng)重大成果，揭開了黑洞的神秘面紗。

中國科學(xué)院上海天文臺(tái)代表中國在天文大廈3樓發(fā)布了首張黑洞照片。這是5500萬光年外的大質(zhì)量星系M87中心超大質(zhì)量黑洞的黑洞陰影照片，也是人類拍攝的首張黑洞照片。它是黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)，從強(qiáng)引力場(chǎng)的角度驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對(duì)論。

時(shí)隔4年，人類對(duì)于M87黑洞的認(rèn)識(shí)變得更為具體了，上海天文臺(tái)天文學(xué)家首次對(duì)黑洞陰影和強(qiáng)大噴流實(shí)現(xiàn)了一起成像。

M87黑洞性質(zhì)揭秘：它不是“很餓”

由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)路如森研究員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)利用在毫米波段開展的新觀測(cè)，首次對(duì)著名的射電星系Messier 87的黑洞陰影以及其周圍顯示落入中央黑洞的物質(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的相對(duì)論性噴流一同進(jìn)行了成像。

圖像首次表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系。此次的觀測(cè)結(jié)果由全球毫米波甚長基線干涉測(cè)量陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）獲得。這兩個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的加入大大增強(qiáng)了GMVA的成像能力。相關(guān)成果于北京時(shí)間4月26日晚11時(shí)發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志。

“以前我們?cè)趩为?dú)的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們?cè)谝粋€(gè)新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖。”來自上海天文臺(tái)的天文學(xué)家、中德馬普伙伴小組組長、論文的第一作者路如森說。

黑洞周圍的物質(zhì)被認(rèn)為是在一個(gè)被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是從來沒有人直接對(duì)它進(jìn)行過成像?！拔覀冎翱吹降沫h(huán)狀結(jié)構(gòu)在3.5毫米波長變得更大、更厚。這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質(zhì)產(chǎn)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?！彼a(bǔ)充說。

ALMA和GLT參與了此次GMVA的觀測(cè)，并由此提高了這個(gè)洲際望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度。這使得人們首次在3.5毫米波長對(duì)M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。GMVA測(cè)得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑為64微角秒，相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時(shí)看到的一個(gè)13厘米（5英寸）的環(huán)形補(bǔ)光燈的大小。這個(gè)直徑比事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）此前在1.3毫米觀測(cè)中所看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)要大50%，符合對(duì)該區(qū)域相對(duì)論等離子體輻射的預(yù)期。

“通過在GMVA觀測(cè)中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我們獲得了一個(gè)新的視角。我們確實(shí)看到了我們?cè)谠缙赩LBI觀測(cè)中了解到的三齒狀的噴流?！蔽挥诘聡ǘ鞯鸟R普射電天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum說，“但是，現(xiàn)在我們可以看到噴流是如何從中央超大質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的，而且我們現(xiàn)在也可以在另一個(gè)波段測(cè)量黑洞周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑?！?/p>

來自M87的射電輻射是由高能電子和磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測(cè)結(jié)果揭示了有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細(xì)節(jié)。它們還揭示了一些關(guān)于黑洞本身的性質(zhì)：它不是“很餓”。它消耗物質(zhì)的速度很低，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。

M87黑洞陰影和強(qiáng)大噴流一起成像。上海市天文臺(tái) 供圖

日本國立天文臺(tái)的Kazuhiro Hada補(bǔ)充說：“我們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事情，在靠近黑洞的內(nèi)部區(qū)域，輻射的寬度比我們預(yù)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(fēng)’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂?！?/p>

對(duì)M87的探索并沒有結(jié)束，進(jìn)一步的觀測(cè)和強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。韓國天文和空間科學(xué)研究所的Jongho Park說：“未來毫米波觀測(cè)將研究M87黑洞的時(shí)間演變并且將通過結(jié)合不同顏色的‘射電光’的圖像來獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。”

“是的，此次展現(xiàn)的3.5毫米波長圖像可以說是代表了當(dāng)前的最新成就。但為了揭示M87中央超大質(zhì)量黑洞及其相對(duì)論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機(jī)制之謎，我們需要拍攝更多色的高質(zhì)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_(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)研究員補(bǔ)充說。

為黑洞“洗照片”歷時(shí)五年

實(shí)際上，這張?zhí)厥獾暮诙葱抡掌窃?018年4月14日至15日拍攝的。

由于爭取到“巨無霸”級(jí)的望遠(yuǎn)鏡ALMA加入觀測(cè)陣列，所有人都對(duì)拍攝結(jié)果抱有很高期待。初步處理數(shù)據(jù)后，研究團(tuán)隊(duì)就在數(shù)據(jù)中注意到了前所未有的新特征，這給團(tuán)隊(duì)成員很大激勵(lì)。經(jīng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和成圖過程，及反復(fù)驗(yàn)證和確認(rèn)結(jié)果，最終在五年后呈現(xiàn)出這張史無前例的新圖像。

一張照片的沖洗耗時(shí)五年，克服了許多難題。

首先，研究團(tuán)隊(duì)在拍攝中遇到了很多意外情況。比如，陣列中的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)新的望遠(yuǎn)鏡，它參與觀測(cè)時(shí)還在調(diào)試階段。在觀測(cè)過程中，其基于波導(dǎo)的相位旋轉(zhuǎn)器被錯(cuò)誤地配置。路如森事后發(fā)現(xiàn)這一問題，在數(shù)據(jù)處理時(shí)開發(fā)了特別的算法解決了這個(gè)問題。

M87黑洞陰影和強(qiáng)大噴流一起成像。 上海市天文臺(tái) 供圖

其次，在將“生數(shù)據(jù)”處理成“熟數(shù)據(jù)”過程中，研究團(tuán)隊(duì)前后做了四次VLBI分析中的“互相關(guān)處理”（cross-correlation）以及相應(yīng)的“相關(guān)后處理”(post-correlation processing)分析，克服來回返工的煎熬，得到了最可靠的“熟數(shù)據(jù)”。

最后，從“熟數(shù)據(jù)”重建觀測(cè)圖像也遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。困難源于這是一張視場(chǎng)很大的圖像，圖像里面包含著許多成分，且這些成分的亮度差異很大。通過匯聚遍布全球各地的許多合作者的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過各種嘗試和反復(fù)驗(yàn)證，最終克服了這些困難。

這也是一次發(fā)動(dòng)了全球觀測(cè)陣列的國際合作，由中國學(xué)者領(lǐng)銜，成員來自17個(gè)國家和地區(qū)、64家研究單位，共計(jì)121位，全球16臺(tái)望遠(yuǎn)鏡參與觀測(cè)。

M87黑洞全景藝術(shù)想象圖。上海天文臺(tái) 供圖

下一步，上海天文臺(tái)計(jì)劃與EHT一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀測(cè)波長上給黑洞拍照，以及在更遙遠(yuǎn)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(xué)家更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環(huán)境的關(guān)系。

另一個(gè)目標(biāo)則是拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時(shí)每刻都在和周圍環(huán)境相互作用，因此不同時(shí)刻看它，它是不一樣的。拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時(shí)間維度，讓研究者能夠全方位的觀測(cè)和理解黑洞。對(duì)于M87黑洞，由于它變化緩慢，需要長時(shí)間的監(jiān)測(cè)來拍攝它的變化，未來或許能拍到“黑洞電影”。