作者：陈杰 史诗
中国科学院上海天文台供图
黑洞照片再上新！4月26日，我国科学家领衔的科研团队成功“捕获”M87黑洞的全景图片。
早在2019年，事件视界望远镜（EHT）全球同步发布人类拍摄到的首张黑洞照片，这一酷似“甜甜圈”的萌图瞬间便引发全球各界的广泛的关注。这是人类首次看到位于室女座星系M87中心、距离地球5500万光年的超大黑洞。
4年时间过去了，黑洞成因之谜虽然还没有被破解，但这没有影响科学家对黑洞的持续观测和拍摄，并取得了新的进展。此次，由中国科学院上海天文台研究员路如森领衔的国际研究团队通过在一个新波段的观测，首次对这个黑洞的阴影及其周围环状结构和强大喷流一同进行了成像。
不同于EHT的黑洞“特写”照片，此次的黑洞“全景图”首次表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。相关成果日前发表在《自然》上。
天文学界观测认为，M87星系中有一条奇特的准直光束从其中心发出并延伸至5000光年之外，这就是M87的喷流，但EHT的首张黑洞照片中并没有看到喷流。研究认为，黑洞周围存在着吸积流，是“点亮”喷流的能源。此前，也没有对吸积流的直接成像探测。
“喷流在较短观测波长上看起来更暗一些，因而变得难以探测。尤其在EHT工作的1.3毫米波段上，由于受到强烈的黑洞引力透镜效应影响，来自吸积流和喷流的光线都会被弯曲成大小差不多的环状结构。”路如森解释说，所以即使EHT拍摄到了喷流，它也很可能隐藏在阴影周围的亮环之中。
此次的黑洞“全景图”由来自17个国家和地区共64家研究单位121位科研人员共同完成，拍摄动用了全球16台射电望远镜。这16台望远镜通过甚长基线干涉技术组合成阵列，其中包含全球毫米波甚长基线干涉阵列（GMVA）中的14台望远镜和阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）以及格陵兰望远镜（GLT）。
路如森表示，ALMA就像目前毫米波甚长基线干涉观测阵列中真正的游戏规则改变者，从获取ALMA观测项目的那一刻起，整个团队都兴奋了起来，因为大家都知道真正的“王炸”要来了。“这种观测组合让我们在新的数据中看到了任何之前类似的3.5毫米观测中都未曾看到过的特征。我们在3.5毫米波段拍摄到了黑洞和喷流在一起的'全景图’，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。”
从拍摄到的黑洞照片中可以清晰看到，黑洞周围绕转着热气体，这些气体在不断发出辐射，形成亮环。与此同时，黑洞附近被“吐出”的气体也被拍到，所以这次拍到的黑洞长出了“尾巴”。
这个新的大“甜甜圈”意味着什么呢？
研究团队发现，在3.5毫米测到的“可见度”的幅度随着基线长度的增加，会先降低然后再升高，形成所谓的“零点”，其位置与EHT之前在1.3毫米所观测到的第一个“零点”的位置明显不同，表明两个环状结构的大小是不同的。
“在3.5毫米波段观测到的亮环比EHT在1.3毫米所观测到的亮环大了近一半。我们也有充分且可靠的证据表明，两个环的不同大小并非是由于观测时间的不同而造成的。黑洞并没有长'胖’，只不过是'甜甜圈’更大了。通过计算机模拟测试显示，亮环更大、更厚主要跟黑洞的吸积流有关。”路如森解释，这是因为在3.5毫米波段上，吸积流内区产生的光线在穿过外区时会被吸收掉一部分，而外区产生的光线则不会被吸收，因此形成了一个较大的环结构图像。
此外，新图像中的喷流结构也让团队得以进一步了解喷流的起源。“通过测量喷流在不同位置处的宽度，我们发现M87黑洞喷流是通过提取黑洞的自转能产生的。”路如森表示，在黑洞边缘处观测到的喷流明显较宽，可能是由于吸积流中“风”的影响造成的。未来更长时间对黑洞的观测，将有望看到“风”影响喷流的动态过程。
不论是前期EHT在1.3毫米拍摄的黑洞图片，还是此次拍摄的3.5毫米黑洞图片，都是通过单一颜色的“射电光”拍摄的静态“黑白”照。两者最大的区别在于，一张是黑洞的“特写图”，一张是黑洞的“全景图”。
为什么两次黑洞拍摄得到的图片都是“黑白”的呢？这是因为拍摄黑洞的望远镜收集到的不是我们日常的可见光，而是一种波长更长的毫米波，两次都只是“单一”的颜色。科学家们实际上只能感受到强弱的不同，照片上红色的“甜甜圈”其实是后期处理的效果。
现在，已经有了黑洞的“特写”和“全景”，接下来要拍什么呢？
未来将有望通过多频的同时观测给黑洞拍摄“彩色”照片，甚至“彩色”电影。
“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。“这样一来，我们就可以区分黑洞图像中由引力所致的'无色’的'永恒’结构和由天体物理过程所致的'有色’的'时变’结构，更深入地探索黑洞周围的时空，理解黑洞周围的天体物理过程。”路如森说。
宇宙中的黑洞并不是静止的，不同时刻看到的黑洞也并不一样。在空间维度上再解锁时间维度，可以让天文学家能够全方位观测和理解黑洞。对于5500万光年外的M87星系来说，黑洞图像的变化速度缓慢，需要通过长时间监测才能拍出它的变化。
路如森透露，希望未来继续通过国际合作对包括M87在内的近邻超大质量黑洞持续进行多频率长期观测，这将有望在不远的将来拍摄出黑洞10年时间跨度上的“彩色”电影。
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