大家一定記得，4年前，一張來自宇宙深處的“甜甜圈”照片轟動全球。2019年4月10日，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目發(fā)布他們第一次拍到的黑洞照片，揭示了室女座星系團中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，照片上的M87黑洞仿佛一個模糊的橙色甜甜圈，從此“甜甜圈”成了M87黑洞的昵稱。
(資料圖片)
4年后的今天，黑洞“甜甜圈”有了更奇妙的新照片。日前，由中國科學(xué)院上海天文臺路如森研究員領(lǐng)銜的17個國家和地區(qū)共64家研究單位的121位科研人員組成的國際研究團隊，利用3.5毫米波段開展的新觀測，首次對M87中心黑洞陰影以及其周圍吸積落入中央黑洞的物質(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強大的相對論性噴流一同進(jìn)行了成像。
北京時間4月26日，這一成果發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。在中國科學(xué)院上海天文臺召開新聞發(fā)布會上，論文的第一作者路如森介紹，此次觀測結(jié)果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡獲得。“該圖像首次表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系”。
M87中心黑洞最新照片。中國科學(xué)院上海天文臺供
新觀測波段上，M87中心黑洞不再“孤單”
噴流是一種天文現(xiàn)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(zhì)外流稱為噴流。噴流廣泛存在于宇宙的中的許多天體中，如處形成中的恒星、爆發(fā)中的激變變星，吸積中的黑洞等等。
路如森說：“當(dāng)噴流中物質(zhì)速度接近光速時，該噴流被稱之為相對論性噴流。大部分相對論性噴流與星系的中心的超大質(zhì)量黑洞有關(guān)。”
早在1918年，天文學(xué)家就已經(jīng)觀測到噴流的天文現(xiàn)象，但是噴流與黑洞到底什么關(guān)系，百年來，謎團始終未解。
理論學(xué)家認(rèn)為，黑洞不僅在“吃”（吸積物質(zhì)），同時也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質(zhì)速度快、方向性好，自然就形成了所觀測到的噴流。但需要說明的是，理論學(xué)家至今也沒能非常明確地解釋好黑洞與噴流的關(guān)系，觀測工作也是在一步步試圖解開這個謎團。
只是宇宙中的黑洞千千萬萬，為什么要選M87觀測拍照？天文學(xué)家們說，選作觀測的黑洞最好又亮、又大、離地球較近，挑來選去，只有M87和銀河系中心黑洞這兩個最適合。但由于角度的緣故，銀河系中心黑洞輻射的光亮被氣體和塵埃組成的一個稠密云團封堵，很少能到達(dá)地球，導(dǎo)致成像模糊不清。相比之下，M87中心黑洞距離地球僅5500萬光年，質(zhì)量相當(dāng)于65億個太陽，又大又亮位置剛剛好，而且“坐姿穩(wěn)定”不會“晃來晃去”，非常適合拍照研究。
“M87星系有著明亮的長達(dá)5000光年的噴流，而M87中心黑洞正是噴流的源頭。因此，給它拍照可以幫助我們理解黑洞附近的環(huán)境，觀察黑洞周圍的物質(zhì)是如何繞轉(zhuǎn)、掉進(jìn)黑洞或被噴出的，進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系。”路如森說，黑洞周圍的物質(zhì)被認(rèn)為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是從來沒有人直接對它進(jìn)行過成像。“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們首次在一個新的波段將M87黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中。”
此前，人們認(rèn)為用地球上的望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米觀測波長上不會看到黑洞“甜甜圈”，但此次觀測真真切切地“獲得”一個比此前更大的“甜甜圈”，而它來自于黑洞周圍的吸積流。
“M87中心黑洞在3.5毫米觀測波段也呈現(xiàn)‘甜甜圈’形態(tài)，比之前事件視界望遠(yuǎn)鏡在1.3毫米觀測到的‘甜甜圈’大了近50%，相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時看到的一個13厘米的環(huán)形補光燈。”路如森說，“這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質(zhì)產(chǎn)生了額外的輻射，使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程”。
路如森研究員介紹M87中心黑洞最新研究成果。黃曉慧 攝
換個頻道看黑洞，“甜甜圈”新照片充分展現(xiàn)黑洞和周圍環(huán)境關(guān)系
如果說“橙色甜甜圈”照片是M87中心黑洞的“特寫”，看到亮環(huán)圍繞著中間的陰影，那么，此次科研團隊拍攝到的就是M87中心黑洞的“全景”。從1.3毫米波段到3.5毫米波段，可謂換了個頻道看黑洞。在這張“全景”照片中，有黑洞、黑洞周圍的吸積流、以及從盤附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流，充分展現(xiàn)了黑洞和它周圍環(huán)境的關(guān)系。
天文發(fā)燒友們不禁要問，為什么換了個波段，黑洞“甜甜圈”就翻出了新花樣？
“打個可能不是完全貼切的比方，這好比拿相機拍出的人像面容姣好，拿X光拍照拍出來的都是人的骨骼。”路如森如是解釋。
事件視界望遠(yuǎn)鏡由8臺射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成，由于大部分射電望遠(yuǎn)鏡布局在北半球，空間采樣較為稀疏，“橙色甜甜圈”照片只有“特寫”而無“全景”。此次參與觀測的射電望遠(yuǎn)鏡陣列增加到了16臺，尤其是南半球射電望遠(yuǎn)鏡的“助陣”，位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列，以及格陵蘭望遠(yuǎn)鏡的加入，大大提高了觀測拍攝的分辨率和靈敏度，使得研究團隊首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。
然而，要協(xié)調(diào)遍布全球的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測絕非易事。“在這一頭，太陽落山了，望遠(yuǎn)鏡看不到了，而另一個地方，太陽剛剛升起，觀測正當(dāng)時。”路如森說，對人類天文學(xué)事業(yè)孜孜不倦的共同追求，讓研究團隊不畏艱辛，克服了時差、地域等困難，最終完成了2018年4月14日至15日長達(dá)十幾個小時的觀測拍攝。爾后，又經(jīng)過了長達(dá)5年的數(shù)據(jù)處理和成像工作，得到這張彌足珍貴的新照片。“‘沖洗照片’和理論解釋的過程同樣傾注了全球科學(xué)家的心血，沒有國際科研合作，就無法完成如此艱巨繁瑣的工作。”
分辨本領(lǐng)的提高，讓研究團隊獲得了新的視角。“我們確實看到了我們在此前觀測中就已了解到的M87中心黑洞的三齒狀的噴流。”研究團隊成員、德國馬普射電天文研究所的托馬斯﹒克里奇鮑姆（Thomas Krichbaum）說，“我們可以看到噴流是如何從中央超大質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的，而且現(xiàn)在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑。”
來自M87的射電輻射是由高能電子和磁場的相互作用產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象被稱為同步輻射。新的觀測結(jié)果揭示了有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細(xì)節(jié)。它們還告訴人們一些關(guān)于黑洞本身的性質(zhì)——它不是“很餓”，它消耗物質(zhì)的速度很慢，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。
研究團隊成員、日本國立天文臺的秦和弘（Kazuhiro Hada）說：“我們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事情——在靠近黑洞的內(nèi)部區(qū)域，輻射的寬度比我們預(yù)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(fēng)’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂”。
這些新發(fā)現(xiàn)讓人們心生期待：此次觀測能否揭開M87中心黑洞的形成之謎？
路如森表示，M87中心黑洞已演化到了穩(wěn)定階段，科學(xué)家們利用事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測及其它的多波段觀測數(shù)據(jù)來研究黑洞及其周圍環(huán)境的現(xiàn)狀，但尚無法回答黑洞形成階段的問題。
參與觀測的16臺射電望遠(yuǎn)鏡陣列分布圖。中國科學(xué)院上海天文臺供
下一目標(biāo)——拍彩照拍電影，讓黑洞靚起來、動起來
對M87中心黑洞的探索并沒有結(jié)束，進(jìn)一步的觀測和強大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。
研究團隊透露，下一步的目標(biāo)是與事件視界望遠(yuǎn)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。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”將帶來更多信息，幫助人們更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環(huán)境的關(guān)系。
路如森說：“我們將拍攝更清晰的3.5毫米照片，結(jié)合事件視界望遠(yuǎn)鏡未來拍攝的更清晰的1.3毫米照片、下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的0.8毫米照片，以及在更遙遠(yuǎn)的未來空間甚長基線干涉測量拍攝的更短波長的照片，我們可以得到黑洞的‘彩色照片’。”
研究團隊成員、韓國天文和空間科學(xué)研究所的樸鐘浩（Jongho Park）說：“未來毫米波觀測將研究M87中心黑洞的時間演變并且將通過結(jié)合不同顏色的‘射電光’的圖像來獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖”。
“此次展現(xiàn)的3.5毫米波長圖像代表了當(dāng)前的最新成就。但為了揭示M87中央超大質(zhì)量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機制之謎，我們需要拍攝更多色的高質(zhì)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，未來非常令人期待。”上海天文臺臺長沈志強說。
研究團隊的另一個目標(biāo)是拍攝“動態(tài)黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時每刻都在和周圍環(huán)境相互作用，因此不同時刻看它，它是不一樣的。拍攝“動態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓人們能夠全方位地觀測和理解黑洞。
對于M87中心黑洞，由于它變化緩慢，需要長時間的監(jiān)測來拍攝它的變化。事件視界望遠(yuǎn)鏡在過去幾年進(jìn)行了多次的連續(xù)成像觀測，未來五年也有持續(xù)的觀測計劃。這些觀測數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)M87中心黑洞在10年時間跨度上的電影。
路如森說：“針對快速變化的銀心黑洞，目前事件視界望遠(yuǎn)鏡的望遠(yuǎn)鏡分布不足以實現(xiàn)‘快拍模式’的動態(tài)攝影，‘丟幀’嚴(yán)重。但隨著未來幾年更多望遠(yuǎn)鏡的加入，將能達(dá)到所需時間分辨率，拍到‘黑洞電影’。”
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責(zé)任編輯：Rex_27
