四年前
人类拍摄到了第一张黑洞照片“特写”
四年后
照片“主人公”-M87喜提第一张“全身照”
北京时间昨天（26日）深夜，最新出版的国际顶级学术期刊《自然》杂志上发表的成果显示，由中国科学院上海天文台路如森研究员领导的一个国际研究团队，利用在毫米波段开展的新观测，首次将黑洞阴影、吸积流和强大喷流呈现在同一张照片上。这一成果对进一步研究黑洞和喷流的关系提供了重要支撑。
“甜甜圈“长了尾巴，他们这样说…
M87*全名“M87星系中心超大质量黑洞”，位于梅西耶87星系——室女座星系团中央巨椭圆星系的中心，距离地球约5500万光年，约65亿倍太阳质量。4年前，人类通过事件视界望远镜（EHT）给M87拍摄的照片是它的“特写”，看到亮环围绕着中间的阴影，样子象个“甜甜圈”。这次的照片，在上海天文台天文学家、中德马普伙伴小组组长、论文的第一作者路如森眼里，是拍摄到了M87黑洞的“远景”照。在这张照片中，“甜甜圈”长出了“尾巴”，这就是黑洞、黑洞周围的吸积流、以及从盘附近延伸向远处的喷流。
（上海天文台路如森研究员）
“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图”，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。“我们之前看到的环状结构在3.5毫米波长变得更大、更厚。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。这使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程”，他补充说。
位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）和位于格陵兰岛的格陵兰望远镜（GLT）参与了此次全球毫米波阵（GMVA）的观测，并由此提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度。这使得我们首次在3.5毫米波长对M87黑洞周围的环状结构进行了成像。GMVA测得的环状结构直径为64微角秒，相当于月球上宇航员回望地球时看到一个13厘米（5英寸）环形补光灯的大小。这个直径比事件视界望远镜（EHT）此前观测中所看到的环状结构要大50%，符合对该区域相对论等离子体辐射的预期。
“通过在GMVA观测中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我们获得了一个新的视角。我们确实看到了我们在早期VLBI观测中了解到的三齿状的喷流”，位于德国波恩的马普射电天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum说，“现在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，而且我们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。在3.5毫米波长，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，还告诉我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低，只将其中一小部分转化为辐射。
对M87的探索并没有结束，因为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。韩国天文和空间科学研究所的Jongho Park说：“未来毫米波观测将研究M87黑洞的时间演变，并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毫米波长图像可以说是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研究员补充说。
关于这张“全身照”，还可以关注…
（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“甜甜圈”，但此次观测确实看到了一个比此前认为得要更大的“甜甜圈”，它来自于黑洞周围的吸积流。）
这一项目是由中国学者领衔的国际合作项目，成员来自17个国家和地区、64家研究单位，共计121位。多年来，他们持续展开对比黑洞的拍摄、研究。M87*距离地球仅有5500万光年，而质量又非常可观（65亿倍太阳质量），这使得它在天空平面上看起来非常大，是非常适合拍照研究的对象。M87星系有着明亮的长达5000光年的喷流，而M87*正是喷流的源头。因此，给M87*拍照可以帮助人类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。
看到这张新照片，或许有人会有疑问：
为什么本次拍摄到的喷流在EHT拍摄的照片中没有看到？
上海天文台的科学家们解释，这次观测与EHT相比有两个不同点。第一，本次观测的观测波长是3.5毫米，而EHT的观测波长是1.3毫米；第二，本次观测联合了16台望远镜，而EHT的观测联合了8台望远镜。此外，一方面EHT的视场比较小，只能拍摄到黑洞的“特写”照片，离黑洞稍远一些的喷流没能进入镜头。而本次拍摄用的望远镜比EHT的视场大很多，既能看到黑洞周围的发光物质，也能看到喷流。另一方面，喷流的亮度随着观测波长变化。喷流在本次观测采取的3.5毫米观测波长上比较明亮，而在EHT采取的1.3毫米观测波长上稍微暗一些。这也可能是EHT没有拍到喷流的原因。
这张新照片是在2018年4月14日至15日拍摄的，为何今天才发布？
因为”冲洗“过程困难重重。
首先，在拍摄中遇到了很多意外情况。比如，阵列中的格陵兰望远镜是一台新的望远镜，它参与观测时还在调试阶段。在观测过程中，其基于波导的相位旋转器被错误地配置。我们事后发现这一问题，在数据处理时开发了特别的算法解决了这个问题。
其次，在将“生数据”处理成“熟数据”过程中，我们前后做了四次VLBI分析中的“互相关处理”（cross-correlation）以及相应的“相关后处理”(post-correlation processing)分析。我们克服来回来去返工的煎熬，得到了最可靠的“熟数据”。
最后，从“熟数据”重建观测图像也遇到了前所未有的挑战。这是一张视场很大的图像，图像里面包含着许多成分，且这些成分的亮度差异很大。通过汇聚遍布全球各地的许多合作者的经验，经过各种尝试和反复验证，我们最终克服了这些困难。
下一步的目标是什么？
与EHT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。我们将拍摄更清晰的3.5毫米照片，结合未来EHT拍摄的更清晰的1.3毫米照片，未来下一代EHT拍摄的0.8毫米照片，以及在更遥远的未来空间VLBI拍摄的更短波长的照片，我们可以得到黑洞的“彩色照片”。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”将带给我们更多信息，帮助我们更好的理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。
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，让我们能够全方位的观测和理解黑洞。对于M87*，由于它变化缓慢，需要长时间的监测来拍摄它的变化。EHT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*在10年时间跨度上的电影。针对快速变化的银心黑洞，目前EHT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”！
（图：上海天文台提供）
来源： 上海新闻广播
