圖為M87中心黑洞陰影、吸積流和噴流一起成像的全景圖。 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)供圖

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　　對(duì)人類(lèi)首次“看見(jiàn)”的M87中心黑洞，科學(xué)家又有新的觀(guān)測(cè)進(jìn)展。近日，中科院上海天文臺(tái)研究員路如森領(lǐng)銜的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，首次對(duì)該黑洞的陰影及其周?chē)h(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大噴流一同進(jìn)行成像。這張“全景”照片使天文學(xué)家能夠更全面地了解黑洞周?chē)奈锢磉^(guò)程。

　　4年前，一張來(lái)自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動(dòng)。2019年4月10日，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目發(fā)布第一次拍到的黑洞照片，黑洞位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87的中心。

　　如今，人類(lèi)首次“看見(jiàn)”的黑洞，有了“全景”照。日前，由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)路如森研究員領(lǐng)銜的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)在毫米波段的觀(guān)測(cè)，首次對(duì)M87中心黑洞的陰影及其周?chē)h(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大噴流一同進(jìn)行了成像。

　　路如森介紹，此次的觀(guān)測(cè)結(jié)果由全球毫米波甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）獲得。相關(guān)成果4月26日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

　　更全面地了解黑洞周?chē)奈锢磉^(guò)程

　　噴流是一種天文現(xiàn)象，看上去像一條火焰柱。人們將具有定向、狹長(zhǎng)、高速的電離物質(zhì)外流稱(chēng)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(fā)中的激變變星、吸積中的黑洞等。

　　路如森說(shuō)：“當(dāng)噴流中物質(zhì)速度接近光速時(shí)，該噴流被稱(chēng)為相對(duì)論性噴流。大部分相對(duì)論性噴流與星系中心的超大質(zhì)量黑洞有關(guān)。”

　　早在1918年，天文學(xué)家就已經(jīng)觀(guān)測(cè)到噴流，但是噴流與黑洞到底是什么關(guān)系？百年來(lái)，謎團(tuán)始終未解。觀(guān)測(cè)工作正是在一步步地試圖解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。而M87中心黑洞距離地球僅5500萬(wàn)光年，質(zhì)量約為65億個(gè)太陽(yáng)，非常適合拍照研究。

　　“M87有著明亮的長(zhǎng)達(dá)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(huán)境，觀(guān)察黑洞周?chē)奈镔|(zhì)是如何繞轉(zhuǎn)、掉進(jìn)或被噴出的，進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系。”路如森說(shuō)，黑洞周?chē)奈镔|(zhì)被認(rèn)為是在一個(gè)被稱(chēng)為吸積的過(guò)程中落入黑洞的，但是從來(lái)沒(méi)有人直接對(duì)它進(jìn)行過(guò)成像，“以前我們?cè)趩为?dú)的圖像中分別看到過(guò)黑洞和噴流，但這次在一個(gè)新的波段將M87中心黑洞的陰影以及其周?chē)e流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中。”

　　“我們觀(guān)測(cè)到M87中心黑洞在3.5毫米波長(zhǎng)的圖像也呈現(xiàn)‘甜甜圈’形態(tài)，比之前‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’在1.3毫米波長(zhǎng)觀(guān)測(cè)到的‘甜甜圈’大了近50%，相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時(shí)看一個(gè)直徑13厘米的環(huán)形補(bǔ)光燈的大小。”路如森說(shuō)。

　　據(jù)了解，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，這使天文學(xué)家能夠更全面地了解黑洞周?chē)奈锢磉^(guò)程。

　　協(xié)調(diào)南北半球射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展同步觀(guān)測(cè)

　　如果說(shuō)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝的照片是M87中心黑洞的“特寫(xiě)”，那么，此次科研團(tuán)隊(duì)拍攝到的就是M87中心黑洞的“全景”：有黑洞、黑洞周?chē)奈e流以及從吸積盤(pán)附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。

　　“事件視界望遠(yuǎn)鏡”由8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成，大部分射電望遠(yuǎn)鏡布局在北半球，空間采樣較為稀疏。此次參與觀(guān)測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡陣列增加到了16臺(tái)，尤其是南半球射電望遠(yuǎn)鏡的“助陣”，大大提高了觀(guān)測(cè)拍攝的分辨率和靈敏度，使得研究團(tuán)隊(duì)首次在3.5毫米波長(zhǎng)對(duì)M87中心黑洞周?chē)沫h(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。

　　然而，要協(xié)調(diào)遍布全球的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀(guān)測(cè)絕非易事。

　　“在這一頭，太陽(yáng)落山了，望遠(yuǎn)鏡看不到了，而另一個(gè)地方，太陽(yáng)剛剛升起，觀(guān)測(cè)正當(dāng)時(shí)。”路如森說(shuō)，對(duì)人類(lèi)天文學(xué)事業(yè)孜孜不倦的共同追求，讓研究團(tuán)隊(duì)不畏艱辛，克服了時(shí)差、地域等困難，最終完成了2018年4月14日至15日長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)的觀(guān)測(cè)拍攝。而后，又經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)5年的數(shù)據(jù)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(guò)程同樣傾注了全球科學(xué)家的心血，沒(méi)有國(guó)際科研合作，就無(wú)法完成如此艱巨繁瑣的工作。”路如森說(shuō)。

　　接下來(lái)還要為黑洞拍攝動(dòng)態(tài)照片

　　對(duì)M87中心黑洞的探索并沒(méi)有結(jié)束，進(jìn)一步的觀(guān)測(cè)和強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開(kāi)它的神秘面紗。

　　研究團(tuán)隊(duì)透露，下一步的目標(biāo)是與“事件視界望遠(yuǎn)鏡”一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀(guān)測(cè)波長(zhǎng)上給黑洞拍照。由于不同波長(zhǎng)的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過(guò)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?chē)h(huán)境的關(guān)系。

　　路如森說(shuō)：“我們將拍攝更清晰的3.5毫米波長(zhǎng)照片，結(jié)合‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’未來(lái)拍攝的更清晰的1.3毫米波長(zhǎng)照片，未來(lái)下一代‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’拍攝的0.8毫米波長(zhǎng)照片，以及在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)空間甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量拍攝的更短波長(zhǎng)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(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毫米波長(zhǎng)或更短的亞毫米波波長(zhǎng)的黑洞照片，以及在長(zhǎng)至7.0毫米波長(zhǎng)的黑洞和噴流的全景圖像，未來(lái)非常令人期待。”上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)研究員補(bǔ)充說(shuō)。

　　研究團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)目標(biāo)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?chē)h(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，讓我們能夠全方位地觀(guān)測(cè)和理解黑洞。

　　由于M87中心黑洞變化緩慢，需要長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)來(lái)拍攝它的變化。“事件視界望遠(yuǎn)鏡”在過(guò)去幾年進(jìn)行了多次的連續(xù)成像觀(guān)測(cè)，未來(lái)5年也有持續(xù)的觀(guān)測(cè)計(jì)劃。

　　路如森說(shuō)：“針對(duì)快速變化的銀心黑洞，目前‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’的望遠(yuǎn)鏡分布不足以實(shí)現(xiàn)‘快拍模式’的動(dòng)態(tài)攝影，‘丟幀’嚴(yán)重。但隨著未來(lái)幾年更多望遠(yuǎn)鏡的加入，將能達(dá)到所需時(shí)間分辨率，拍到‘黑洞電影’。”