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通过毫米波段对M87星系中央黑洞进行了观测成像，首次将中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源联系在一起，对进一步认识神秘的黑洞有着重大意义。相关成果发表在本期出版的国际顶级学术期刊《自然》杂志上。
黑洞长“尾巴”
2019年，事件视界望远镜合作组织发布了人类历史上首张黑洞的影像，引发全球关注，一时间黑洞的“甜甜圈肖像”成为街头巷尾最热门的话题之一。当时所公布的“照片”就是M87星系中心超大质量黑洞（记作M87*）。而在最新发表的成果中，我们看到M87*似乎不仅“胖”了，并且还长出了一个小“尾巴”。这是为什么呢？
M87星系位于室女座内，距离地球5500万光年，是室女座星系团中质量最大的椭圆星系。早在100多年前，人们就发现M87星系中有一条笔直的光束，从其中心发出，一直延伸至5000光年之外。后来，广义相对论的诞生催生了一种奇特而又神秘的天体——黑洞。黑洞的引力异常强大，在一定范围内，任何物质包括光都难以逃脱，这个边界被称为事件视界。在事件视界外，如果有物质在不断往黑洞中掉落，这个过程叫吸积，也就是俗称的黑洞“吃”东西，那么黑洞周围应当形成吸积流或吸积盘。黑洞在“吃”东西的同时，还会“吐”东西，在垂直于盘面的方向形成喷流。
天文学家意识到，M87星系中的光束很可能就是黑洞的喷流，M87星系的核心应当拥有一个超大质量黑洞。此后天文学家一直对M87星系青睐有加，用各种波段对它进行观测。这就好比“盲人摸象”，希望通过不同视角、不同感受拼凑出黑洞的全景画像。在伽马射线、X射线、紫外线、可见光、射电等电磁波的各个波段上，都“看”到了这股喷流。
其中，射电波段由于特殊的技术手段可以获得更为杰出的分辨率，承担起给喷流的源头——超大质量黑洞拍照的任务。据推测，M87星系中心拥有一个质量达到太阳的65亿倍的黑洞，其事件视界直径约为400亿公里（或日地距离的260倍）。要在那么远的距离上看清那样大小的黑洞，至少需要一台接近地球大小的巨型望远镜。于是，聪明的天文学家选择了分布在全球的8台射电望远镜/阵，构建起一个虚拟望远镜——事件视界望远镜（EHT, Event Horizon Telescope）。经过全球十几个机构数百位天文学家的艰苦努力，才有了黑洞的照片。
EHT在2017和2018年的观测中使用的望远镜（黄点）
首张黑洞照片十分迷人，它让我们第一次看到了黑洞的“阴影”，以及阴影外由于黑洞吸积所形成的环状结构。它的形态完全符合预期。然而，我们所看到的亮环是由吸积流和引力透镜效应共同构成的，当前的望远镜分辨率无法将它们区分开。同时，由于这张照片中的M87*显得太过“纯净”了，我们无法看到“甜甜圈”周围的东西。
首张黑洞照片有吸积流但没有喷流，以往的其他波段照片上有喷流，但没有黑洞和吸积流，所以，这两者之间到底是如何联系的呢？此番研究成果给这个问题提交了一份重要的答卷——黑洞的阴影、黑洞的吸积流、黑洞的喷流首次清晰地出现在一张图像中！我们看到的小“尾巴”就是黑洞的喷流，并且似乎它和黑洞的吸积流相连。
16台望远镜联袂
这次所使用的技术与EHT相同，都是甚长基线干涉测量（VLBI）技术，它是利用电磁波干涉效应（电磁波达到每台望远镜的时间是不同的），将分布在不同位置上的望远镜关联在一起，等效于一个更大口径的望远镜。总的来说，基线越长、望远镜数量越多、分布越均匀，观测的效果越好。
所不同的是，首张M87*照片使用的观测波长是1.3mm，分辨率更高，并且对更接近黑洞的地方更敏感，这就是为什么我们看到的是孤零零的“甜甜圈”。而本项成果所观测的是3.5mm波，能看到距离黑洞更远一些的地方，这就是为什么我们能“看到”喷流。
另外的区别在于，EHT动用了8台射电望远镜，这次中国科学家主导的项目调用了全球16台射电望远镜。其中全球毫米波阵列（GMVA, Globe mm-VLBI Array）贡献了14台，再加上位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA, Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array）以及位于格陵兰岛的格陵兰望远镜（GLT, Greenland Telescope）。
值得一提的是，ALMA本身就是一个拥有几十台射电望远镜的大型阵列，得益于海拔5000多米干燥的高原沙漠环境，它成为全球最为重要的毫米/亚毫米波观测站点。文章的第一作者上海天文台研究员、中德马普伙伴小组组长路如森研究员介绍，他在数年前就通过GMVA对M87*进行过观测，这次ALMA的加入对成像质量起到一锤定音的效果，是“游戏规则的改变者”。而GLT的加入则是锦上添花，提供了一条接近地球大小的基线长度。
波长、基线、数量、分布，巧妙的构思、科学的规划为成功的拍照奠定了基础。在3.5mm的图像上，M87*的环状结构直径为64微角秒（1微角秒 = 1/1,000,000角秒 = 1/3,600,000,000度），比EHT在1.3mm获得的环状结构大了50%，其分辨率相当于从地球上看到月球表面的一个手机。这个大小也符合对该区域相对论等离子体辐射的预期。
更多的疑问更多的期待
或许和很多人想象的不一样，一个新的科学成果可能会解决若干悬而未决的问题，但也往往会带来更多的疑惑。这大概就是科学的魅力了。
例如，为什么喷流在距离黑洞很近的地方呈现三齿状，在数百光年甚至更遥远的位置上依然能保持准直？还有在靠近黑洞的内部区域，辐射的宽度比预期的更宽，是否因为黑洞在“吃”东西同时还在“打嗝”，不断向外吹着星风，从而造成黑洞周围的湍流和混乱？3.5mm波的图像中的亮斑位置与1.3mm波图像中的亮斑位置有些偏差，是因为望远镜地理位置的分布造成的，还是真实存在的物理现象？
上海天文台台长沈志强研究员表示：“此次展现的3.5mm波长图像代表了当前的最新成就，但为了揭示M87中心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，未来还需拍摄更多色的高质量图像，覆盖从0.8mm或更短的亚毫米波，长至7.0mm波长的黑洞和喷流的全景图像。”
如果参考“哈勃美图”的做法，给不同波段的图像染上不同的颜色，或许真的可以制作出一张超大质量黑洞的“彩色照片”。
图片来源：
1. R.-S. Lu (SHAO) and E. Ros (MPIfR), S.Dagnello (NRAO/AUI/NSF)
2. NASA/JPL
3. The EHT Multi-wavelength Science Working Group; the EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); the EVN; the EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); the GMVA; the Hubble Space Telescope; the Neil Gehrels Swift Observatory; the Chandra X-ray Observatory; the Nuclear Spectroscopic Telescope Array; the Fermi-LAT Collaboration; the H.E.S.S collaboration; the MAGIC collaboration; the VERITAS collaboration; NASA and ESA
4. The Event Horizon Telescope Collaboration et al 2019 ApJL 875 L2
5. Event Horizon Telescope Collaboration
6. 网络
7. MPIfR/Helge Rottmann
8. GMVA; Lu et al. 2023
9. Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
参考资料：
[1] Lu，R.-S., Asada, K., Krichbaum, T. P. et al.,“A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet”, 2023, Natrue.
[2] Curtis, H. D.“Descriptions of 762 Nebulae and Clusters Photographed with the Crossley Reflector”，1918, Publications of Lick Observatory, 13, 9.
[3] EHT MWL Science Working Group, Algaba, J. C., Anczarski, J., et al., “Broadband Multi-wavelength Properties of M87 during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign”, 2021, ApJL, 911, L11.
[4] Kim, J.-Y., Krichbaum, T. P., Lu, R.-S., et al., “The limb-brightened jet of M87 down to the 7 Schwarzschild radii scale”, 2018, A&A, 616, A188.
[5] 首张黑洞照片的说明书, 天文茶餐厅
作者：水兄（施韡）
