黑洞長什么樣？2019年4月，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”合作組織EHT發(fā)布了人類歷史上第一張黑洞照片，引發(fā)了全球高度關(guān)注，該黑洞被稱為M87，其酷似甜甜圈的形象給人們留下了十分深刻的印象。從人們印象中的“紅色加熱器”，到如今有了更多的細(xì)節(jié)。

記者從中國科學(xué)院獲悉，科學(xué)家通過在毫米波段的觀測(cè)，首次對(duì)這個(gè)黑洞的陰影及其周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大噴流一同進(jìn)行了成像，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。

【資料圖】

人類捕獲的第一張黑洞照片。圖源：央視網(wǎng)

人類首次“看見”的那個(gè)黑洞，位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質(zhì)量約為太陽的65億倍，它的核心區(qū)域存在一個(gè)陰影，周圍環(huán)繞一個(gè)新月狀光環(huán)。

2019年4月10日，科學(xué)家們首次發(fā)布了M87黑洞的圖像，并在此后持續(xù)開展對(duì)M87黑洞的觀測(cè)研究。

該研究由中科院上海天文臺(tái)研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)完成，團(tuán)隊(duì)利用全球毫米波甚長基線干涉測(cè)量陣列（GMVA），聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）獲得此次觀測(cè)結(jié)果，相關(guān)成果26日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

“以前，我們?cè)趩为?dú)的圖像中分別看到過黑洞和噴流，這次則是在一個(gè)新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖，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?！甭啡缟f。

“此次觀測(cè)還揭示了M87黑洞的更多細(xì)節(jié)，有助于更全面了解黑洞周圍的物理過程?！甭啡缟f。

“對(duì)M87的探索并沒有結(jié)束，我們將拍攝更多色的高質(zhì)量圖像，為揭示M87中央超大質(zhì)量黑洞及其噴流形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機(jī)制之謎作出更多貢獻(xiàn)?！敝锌圃荷虾Ｌ煳呐_(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)說。

M87黑洞陰影、吸積流和噴流一起成像的全景圖。圖源：中國科學(xué)院上海天文臺(tái)

據(jù)了解，與此前“事件視界望遠(yuǎn)鏡”合作組織拍攝的照片不同的是，之前的是黑洞的“特寫”，人們能夠看到的是亮環(huán)圍繞著中間的黑洞陰影。而這次拍攝到的則是“全景”，在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流以及從吸積盤附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。作為事件視界望遠(yuǎn)鏡黑洞照片的拓展，充分展現(xiàn)了黑洞和它周圍環(huán)境的關(guān)系。

上海天文臺(tái)的天文學(xué)家、中德馬普伙伴小組組長、論文的第一作者路如森表示，黑洞周圍的物質(zhì)被認(rèn)為是在一個(gè)被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是從來沒有人直接對(duì)它進(jìn)行過成像。“我們之前看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)在3.5毫米波長變得更大、更厚。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。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程?！?/p>

此次的觀測(cè)結(jié)果由全球毫米波甚長基線干涉測(cè)量陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）獲得。ALMA和GLT的參與提高了這個(gè)洲際望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度。

來自M87的射電輻射是由高能電子和磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測(cè)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)。它們還揭示了一些關(guān)于黑洞本身的性質(zhì)：它不是“很餓”。它消耗物質(zhì)的速度很低，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。

參與觀測(cè)的16臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡陣列分布圖。圖源：中國科學(xué)院上海天文臺(tái)

中國科學(xué)家領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊(duì)首次呈現(xiàn)了黑洞和噴流的“全景”照。

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所所長何子山教授介紹，這次是在2019年人類首張黑洞照片的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證了大質(zhì)量黑洞的存在。并通過完整的成像，使人們進(jìn)一步了解了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流之間的聯(lián)系，比此前大了近50%，還有了長長的“尾巴”。

中國科學(xué)院上海天文臺(tái)路如森研究員領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊(duì)通過在毫米波段開展的新觀測(cè)，首次對(duì)射電星系M87的黑洞(M87*)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(qiáng)大的相對(duì)論性噴流一同進(jìn)行成像。圖像表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系。

實(shí)際上，這張?zhí)厥獾暮诙葱抡掌窃?018年4月14日至15日拍攝的。一張照片的沖洗耗時(shí)五年，克服了許多難題。

M87星系的中心黑洞能驅(qū)動(dòng)能量巨大的噴流，速度接近光速，可以延展至星系以外很遠(yuǎn)處。

根據(jù)M87黑洞的質(zhì)量，科學(xué)家可以估算出它的黑洞事件視界直徑約為400億公里，而冥王星到太陽的距離也僅為58億公里。

關(guān)于黑洞的形成，科學(xué)界目前認(rèn)為恒星質(zhì)量級(jí)的黑洞是由大質(zhì)量恒星演化晚期坍縮形成，但星系中央的超大質(zhì)量黑洞是如何形成的，仍是未解之謎。

圖源：視覺中國

目前M87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)鏡及其它的多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的諸多限制來研究黑洞及其周圍環(huán)境的現(xiàn)狀，但仍無法回答黑洞形成階段的問題。

對(duì)M87中心黑洞的探索并沒有結(jié)束，進(jìn)一步的觀測(cè)和強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。

研究團(tuán)隊(duì)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(cè)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(cè)量拍攝的更短波長的照片，我們可以得到黑洞的‘彩色照片’?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)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(cè)將研究M87中心黑洞的時(shí)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”。

圖源：視覺中國

“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(duì)論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機(jī)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?！鄙虾Ｌ煳呐_(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)說。

研究團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)目標(biāo)是拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時(shí)每刻都在和周圍環(huán)境相互作用，因此不同時(shí)刻看它，它是不一樣的。拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時(shí)間維度，讓人們能夠全方位地觀測(cè)和理解黑洞。

對(duì)于M87中心黑洞，由于它變化緩慢，需要長時(shí)間的監(jiān)測(cè)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(cè)，未來五年也有持續(xù)的觀測(cè)計(jì)劃。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)M87中心黑洞在10年時(shí)間跨度上的電影。

路如森說：“針對(duì)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(shí)現(xiàn)‘快拍模式’的動(dòng)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(shí)間分辨率，拍到‘黑洞電影’。”

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