研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質量黑洞（M87*）周圍的環狀結構進行成像，觀測到這一黑洞在3.5毫米的圖像也呈現“甜甜圈”形態，比此前“事件視界望遠鏡”在1.3毫米觀測到的“甜甜圈”大了近50%，并且看到從“甜甜圈”向遠處延展的“尾巴”，它是黑洞的噴流。
截至目前人類已有兩個顏色的黑洞照片，研究人員希望未來從顏色和時間維度上得到更多黑洞圖像。相比于“單色黑洞”，在不同觀測波長上拍攝“彩色黑洞”照片有助于理解黑洞本身以及它和周圍環境的關系。拍攝“動態黑洞”將在空間維度上解鎖時間維度，讓人類能夠全方位觀測和理解黑洞。
(資料圖片)
研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質量黑洞（M87*）周圍的環狀結構進行成像。在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤附近延伸向遠處的噴流。
由中國科學院上海天文臺研究員路如森領導的國際研究團隊利用毫米波段開展的新觀測，首次將著名射電星系Messier 87（M87星系）的黑洞陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現在同一張照片之中。相關成果4月26日發表在國際頂級學術期刊《自然》雜志上。
此前，人們認為用地球上的望遠鏡在3.5毫米觀測波長上不會看到“甜甜圈”形態的黑洞。但此次研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質量黑洞（M87*）周圍的環狀結構進行了成像，觀測到這一黑洞在3.5毫米的圖像也呈現“甜甜圈”形態，比此前“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope, EHT）在1.3毫米觀測到的“甜甜圈”大了近50%，它來自于黑洞周圍的吸積流。并且看到從“甜甜圈”向遠處延展的“尾巴”，它是黑洞的噴流。
如果說EHT拍攝的照片是黑洞的“特寫”，能看到亮環圍繞著中間的陰影。此次拍攝到的是黑洞的“全景”，在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤附近延伸向遠處的噴流。這張新照片作為EHT照片的拓展，充分展現了黑洞和它周圍環境的關系。
黑洞不再“孤單”：新波段下的黑洞和噴流全景圖
在引力極強的時空區域，任何東西甚至是光（電磁波）都無法逃逸。因為光無法逃逸，所以稱之為“黑”，因為物質無法逃逸，所以稱之為“洞”。黑洞沒有表面，一般用事件視界面作為邊界，區分黑洞內部和外部。它標識出“無返回區”，即一切穿過事件視界的東西永遠不可能逃逸。
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。
M87*黑洞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，它位于M87星系——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。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。
由中國科學院上海天文臺研究員路如森領導的一個國際研究團隊利用毫米波段開展新觀測，目標是研究噴流的形成，對黑洞的吸積盤（一種由彌散物質組成的圍繞中心體轉動的結構，它是包圍黑洞或中子星的氣體盤）內區成像探測。研究人員首次對著名的射電星系M87的黑洞陰影，以及其周圍顯示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了成像。
在3.5毫米波長所觀測到的M87*黑洞圖像，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。
這張新照片于2018年4月14日至15日拍攝，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。這張照片中，黑洞不再“孤單”，研究人員探測到了黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤附近延伸向遠處的噴流，圖像首次表明中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯系。
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。”黑洞周圍的物質在吸積過程中落入黑洞，但從來沒有人直接對它成像。“我們之前看到的環狀結構現在在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。”路如森表示。
此次觀測和人類首張黑洞照片中的黑洞為同一個黑洞，均為M87*。為何本次拍攝到的噴流在“事件視界望遠鏡”拍攝的人類首張黑洞照片中沒有看到？路如森表示，一方面“事件視界望遠鏡”的視場比較小，只能拍攝到黑洞的“特寫”照片，離黑洞稍遠一些的噴流沒能進入鏡頭。而本次拍攝用的望遠鏡比“事件視界望遠鏡”的視場大很多，既能看到黑洞周圍的發光物質，也能看到噴流。另一方面，噴流的亮度隨著觀測波長變化。噴流在本次觀測采取的3.5毫米觀測波長上比較明亮，而在“事件視界望遠鏡”采取的1.3毫米觀測波長上稍微暗一些，這也可能是“事件視界望遠鏡”沒有拍到噴流的原因。
16臺射電望遠鏡觀測，測得環狀結構直徑大50%
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（Global mm-VLBI Array，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（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA），以及位于格陵蘭島的格陵蘭望遠鏡（Greenland Telescope，GLT）。
路如森表示，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠鏡（GLT）的加入大大增強了GMVA的成像能力，提高了這個洲際望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度。尤其是阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列，它是毫米波VLBI（甚長基線干涉測量，Very Long Baseline Interferometry）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。“從歷史脈絡來講，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。”
GMVA測得的環狀結構直徑為64微角秒，相當于月球上的宇航員回望地球時看到的一個13厘米的環形補光燈大小。這個直徑比“事件視界望遠鏡”此前在1.3毫米觀測中所看到的環狀結構要大50%，符合對該區域相對論等離子體輻射的預期。
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。
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。”
M87的射電輻射由高能電子和磁場的相互作用產生，這種現象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測結果揭示了有關這些電子的位置和能量的更多細節。它們還告訴研究人員關于黑洞本身的一些性質：它不是“很餓”，它消耗物質的速度很低，只將其中一小部分轉化為輻射。為了了解這個更大、更厚的環的物理來源，研究人員使用計算機模擬來測試不同情況，最終得出結論，亮環的較大范圍與吸積流有關。
日本國立天文臺的Kazuhiro Hada補充說：“我們還在數據中發現了一些令人驚訝的事情，在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度比我們預期的要寬。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’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂。”
M87星系探索史：未來希望得到“彩色黑洞”和“黑洞電影”
1781年，法國天文學家夏爾·梅西耶發表了著名的梅西耶星表，里面包含103個星云狀的天體，并以字母M加數字為這些天體命名。M87就是其中之一，其含義為梅西耶星表中的第87個天體。
1918年，美國天文學家希伯·柯蒂斯首次觀測到M87的噴流，這也是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流。他看到“一束奇怪的直射線，從一片朦朧的光斑中心發出”。后來，隨著對宇宙認知的拓展，人們逐漸意識到M87并不是星云，而是一個星系。
1947年，人們觀測到M87位置處的射電源，命名為室女座A。隨后證實室女座A的射電信號就來自于M87。于是M87成為知名的射電星系，吸引了無數射電望遠鏡的目光。
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。
直到2017年，“事件視界望遠鏡”成功拍攝到了M87星系中心超大質量黑洞（M87*）的照片。這張照片也是人類歷史上的首張黑洞照片，于2019年4月10日正式面世。照片顯示M87*長得像個“甜甜圈”，外面一圈亮環，圍繞著中間的陰影。
但對M87星系的探索并沒有結束，未來進一步的觀測和強大的望遠鏡陣列將繼續揭開它的神秘面紗。韓國天文和空間科學研究所的Jongho Park說：“未來毫米波觀測將研究M87*黑洞的時間演變并且將通過結合不同顏色的射電光的圖像來獲得M87中心黑洞區域的多色視圖。”
上海天文臺臺長沈志強研究員表示，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，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。
路如森表示，在新的波段對黑洞首次成像標志著朝多色黑洞邁出了一小步，截至目前人類已經有兩個顏色的黑洞照片。“未來我們希望得到更多顏色的黑洞圖像，我們也希望給黑洞拍動畫，從顏色和時間維度上得到更多的黑洞圖像，不但讓黑洞 ‘靚’起來，也讓它動起來。”但目前得到更多顏色的黑洞圖像的問題仍是望遠鏡陣列不夠多。
據中國科學院上海天文臺消息，下一步的目標是與“事件視界望遠鏡”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。研究人員將拍攝更清晰的3.5毫米照片，結合未來“事件視界望遠鏡”拍攝的更清晰的1.3毫米照片，未來下一代“事件視界望遠鏡”拍攝的0.8毫米照片，以及在更遙遠的未來空間VLBI拍攝的更短波長的照片，人類可以得到黑洞的“彩色照片”。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”將帶給我們更多信息，幫助我們更好的理解黑洞本身，以及它和周圍環境的關系。
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，黑洞是不一樣的。拍攝“動態黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓人類能夠全方位觀測和理解黑洞。對于M87*，由于它變化緩慢，需要長時間的監測來拍攝它的變化。“事件視界望遠鏡”在過去幾年進行了多次連續成像觀測，未來五年也有持續的觀測計劃。這些觀測數據將呈現M87*在10年時間跨度上的電影。針對快速變化的銀心黑洞，目前EHT的望遠鏡分布不足以實現“快拍模式”的動態攝影，“丟幀”嚴重。但隨著未來幾年更多望遠鏡的加入，將能達到所需時間分辨率，拍到“黑洞電影”。