去年公布的史上首张黑洞照片，如今被制作成了“电影”。从这短短数帧中，我们可以看到黑洞的引力搅动着它周围的物质，最终形成稳定的大漩涡。
图像展示了M87星系中央的超大质量黑洞周围“倾斜”的光晕。为了捕捉这些图像，事件视界望远镜（EHT）在遍布世界的天文台网络的协助下，把旧数据挖了出来，并整合在一个基于去年的黑洞图像的数学模型中，从而成功展现了八年来黑洞周围（即环绕黑洞的旋转气云）的演化。这项研究发表于最新的《天体物理学杂志》上。
论文第一作者，哈佛大学射电天文学家马切克·维尔古斯（Maciek Wielgus）解释道：“由于坠落进黑洞的物质流本身就是一种湍流，圆环也就跟着摆动。”
这项工作展现了在这个技术进步的时代，该团队的无穷潜力。维尔古斯称：“再过几年，我们或许就能做出真正的电影了。”
摆动的圆环
去年那张黑洞照片登上了各大报纸的头条。照片的主人公是M87*，也就是17百万秒差距（5500万光年）外的M87星系中央的超大质量黑洞。2017年4月，研究人员利用了两个晚上来“拍摄”这张照片，其数据来自世界各地的不同天文台，最终经过汇总作图，呈现出我们看到的样子。这项壮举，就如同从地球上辨别出月球表面一个甜甜圈一样困难。
由观测和数学模型建立的一系列图像，展示了从2009年到2017年，M87星系中央黑洞的演化。（图片来源：M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration）
尽管稍显模糊，这张图像还是与爱因斯坦的广义相对论预测中，黑洞周围的样子十分吻合。特别是对研究人员来说，它直接证明了事件视界以内的阴影是存在的；一旦跨过了事件视界，就再也没有回头路了，这就清晰地把黑洞和外界划分开来。较暗的圆盘紧挨着外周的光环，这些光环的光来自过热物质的对外辐射。
神奇的是，圆环的其中一边看起来要比另一边亮了不少。科学家们认为，这是黑洞周围复杂的动力系统造成的。具体来说，即将落入洞中的物质会在黑洞的赤道上呈螺旋状飞速旋转，形成所谓的吸积盘。之所以圆环看起来是倾斜的，是由于多普勒效应：圆环中，朝观察者方向运动的那一边，辐射的频率会更高，看起来就更亮；而相反的方向看起来就暗了。
回顾数据
既然已经有了2017年这张图像的引导，维尔古斯打算回顾EHT往日的旧数据，看看能翻出什么新花样。EHT从2009年就开始观测M87*，最初只有三个不同位置的天文台。随着EHT网络中的天文台越来越多，观测的质量也越来越高。2017年，八个天文台协同合作，望远镜覆盖了从夏威夷、智利，到欧洲的广阔区域，EHT这才终于达到了能生成真实图像的水平。
旧数据包括4个部分，分别来自2009年，2011年，2012年和2013年，其中有两份数据是从未发表的。“从某种程度上说，这些数据早就被遗忘了，因为大家的注意力都被2017年的成果吸引过去了。”维尔古斯说道。他和一组EHT研究员又重新分析了这些数据，发现它们其实跟2017年的结果是吻合的，都包含着一个暗圆盘和亮光环。此外，尽管2009到2013年的数据分辨率并不足以绘制图像，该团队仍然成功了。根据2017年的数据，他们得到了可靠的数学模型，这样只需要把此前有限的数据整合进来，便也能合成出图像。
最终的结果所包含的信息远超维尔古斯的预料。如2017年那张图像一样，其他图所展现的，也是一边比另一边更亮的圆环。不过亮的部分看起来在不断移动。这可能是因为吸积盘的不同位置变暗或是变亮，从而增强或者抵消掉了多普勒效应。
动态圆盘
这在大家的意料之中。作者写道：尽管M87*黑洞自身不会随时间而改变，它周围的环境却是时刻在变化的。几周时间内，强磁场会搅动吸积盘，从而让某些点的温度升高。这些点随后会绕黑洞旋转。2018年，一支独立的团队提供了一项证据，显示有一团高温气体，以一小时为周期，环绕着人马座A*（银河系中央的黑洞）旋转。而M87*的质量是太阳的65亿倍，体积是人马座A*的1000倍以上，那么自然，气体围绕它的运动所需的时间就更久。
EHT本来打算每年3月底或者4月初对M87*和人马座A*进行观测，这几天的天气正好适合多台望远镜的同时观测。可惜的是，由于今年的疫情，观测计划只得取消。他们希望2021年能弥补遗憾。如果一切顺利的话，届时还会有来自格陵兰岛和法国的两座天文台加入。
该团队还期待着明年的全球观测能用上更短波长的辐射。短波虽然不擅长穿透大气层，却能让图像的分辨率提高不少。“我们可以更近距离地观察黑洞的阴影，得到锐度更高的图像。”荷兰拉德布德大学的射电天文学家萨拉·伊萨奥恩（Sara Issaoun）称。
原文链接：
https://www.scientificamerican.com/article/the-first-ever-image-of-a-black-hole-is-now-a-movie/
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