黑洞“甜甜圈”有新进展！天文学家首次拍下这张全景图

距离2019年4月全球科学家发布第一张黑洞照片已过去4年多，天文学家又有新的重大发现。

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利用在毫米波段开展的新观测，首次对著名的M87黑洞阴影以及其周围吸积落入中央黑洞的物质的环状结构和强大的相对论性喷流一同进行了成像。图像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26日晚11时许发表在本期出版的国际顶级学术期刊《自然》杂志上。

本次拍摄将16台射电望远镜连起来，组成一台口径等效于地球直径的望远镜。这一由中国学者领衔的国际合作项目，成员来自17个国家和地区、64家研究单位，共计121位。

图1: M87在3.5毫米波长所观测到的图像，其致密的核心首次在该波段被分解并在高分辨率条件下呈现为环状结构（内嵌图）。[图源：R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR),and S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)]

这张照片有何不同？

相比以前的照片，此次观测首次将M87黑洞的阴影以及其周围吸积流和喷流呈现在同一张照片之中。

“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图”，上海天文台的天文学家、中德马普伙伴小组组长、论文的第一作者路如森说。他对第一财经解释，黑洞周围的物质被认为是在一个被称为吸积的过程中落入黑洞的，但是从来没有人直接对它进行过成像。“我们之前看到的环状结构在3.5毫米波长变得更大、更厚。这表明在新的图像中可以看到落入黑洞的物质产生了额外的辐射。这使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程”。

科学家们观测到M87黑洞在3.5毫米的图像也呈现“甜甜圈”形态，比此前EHT在1.3毫米观测到的“甜甜圈”大了近50%。并且看到从“甜甜圈”向远处延展的“尾巴”，它是黑洞的喷流。

日本国立天文台的Kazuhiro Hada说：“我们还在数据中发现了一些令人惊讶的事情：在靠近黑洞的内部区域，辐射的宽度比我们预期的要宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入，也可能有一股“风”吹出来，造成黑洞周围的湍流和混乱”。

上海天文台台长沈志强研究员对第一财经介绍，此次展现的3.5毫米波长图像可以说是代表了当前的最新成就。“但为了揭示M87中央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，我们需要拍摄更多色的高质量图像，包括在0.8毫米或更短的亚毫米波波长的黑洞照片，以及在长至7.0毫米波长的黑洞和喷流的全景图像。”

“洗”照片用了5年

此次的这张全景图由全球毫米波甚长基线干涉测量阵列（GMVA）联合阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）和格陵兰望远镜（GLT）获得。这两个观测台站的加入提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度。

“通过在GMVA观测中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我们获得了一个新的视角。我们确实看到了我们在早期VLBI观测中了解到的三齿状的喷流”，位于德国波恩的马普射电天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum说。

路如森说，本次公布的黑洞新照片其实在2018年4月14日至15日就已经拍好。

路如森，金叶子／摄

谈到为何要在5年后发布，路如森对第一财经解释道，在初步处理数据后，他们就在数据中注意到了前所未有的新特征，这给团队成员很大激励。经过了复杂的数据处理和成图过程，及反复验证和确认结果，最终在五年后呈现出这张新图像。

“举个例子，去年我们参与的全球首张银河系中心黑洞照片其实也是是2017年拍摄的，这中间也是花了5年的时间。VLBI（常规甚长基线干涉测量）这一块，实际上还是比较复杂，需要花时间的，所以说拍照的时间可能就10个小时或者是甚至5个小时。但是 ‘洗照片 ’的过程，包括后边的理论解释，可能花的时间就要多得多，这是我们为什么要花数年的时间才能得到这样一张照片的原因。”

据介绍，关于M87黑洞研究的下一步的目标是与EHT一起拍摄“彩色黑洞”。所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。“我们将拍摄更清晰的3.5毫米照片，结合未来EHT拍摄的更清晰的1.3毫米照片，未来下一代EHT拍摄的0.8毫米照片，以及在更遥远的未来空间VLBI拍摄的更短波长的照片，我们可以得到黑洞的 ‘彩色照片’。”