宇宙深处，定格黑洞“全景”

科学家首次对黑洞的阴影及其周围环状结构和强大喷流一同成像

宇宙深处,定格黑洞“全景”(科技自立自强)

图为M87中心黑洞阴影、吸积流和喷流一起成像的全景图。中国科学院上海天文台供图

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对人类首次“看见”的M87中心黑洞,科学家又有新的观测进展。近日,中科院上海天文台研究员路如森领衔的国际研究团队,首次对该黑洞的阴影及其周围环状结构和强大喷流一同进行成像。这张“全景”照片使天文学家能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。

4年前,一张来自宇宙深处的“甜甜圈”状黑洞照片引起轰动。2019年4月10日,“事件视界望远镜”项目发布第一次拍到的黑洞照片,黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心。

如今,人类首次“看见”的黑洞,有了“全景”照。日前,由中国科学院上海天文台路如森研究员领衔的一个国际研究团队,通过在毫米波段的观测,首次对M87中心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。

路如森介绍,此次的观测结果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波/亚毫米波阵列(ALMA)和格陵兰望远镜(GLT)获得。相关成果4月26日在国际学术期刊《自然》上发表。

更全面地了解黑洞周围的物理过程

喷流是一种天文现象,看上去像一条火焰柱。人们将具有定向、狭长、高速的电离物质外流称为喷流。喷流广泛存在于宇宙中的许多天体中,如形成中的恒星、爆发中的激变变星、吸积中的黑洞等。

路如森说:“当喷流中物质速度接近光速时,该喷流被称为相对论性喷流。大部分相对论性喷流与星系中心的超大质量黑洞有关。”

早在1918年,天文学家就已经观测到喷流,但是喷流与黑洞到底是什么关系?百年来,谜团始终未解。观测工作正是在一步步地试图解开这个谜团。而M87中心黑洞距离地球仅5500万光年,质量约为65亿个太阳,非常适合拍照研究。

“M87有着明亮的长达5000光年的喷流,而M87中心黑洞正是喷流的源头。因此,给它拍照可以帮助我们理解黑洞附近的环境,观察黑洞周围的物质是如何绕转、掉进或被喷出的,进而研究黑洞和喷流的关系。”路如森说,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,“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流,但这次在一个新的波段将M87中心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。”

“我们观测到M87中心黑洞在3.5毫米波长的图像也呈现‘甜甜圈’形态,比之前‘事件视界望远镜’在1.3毫米波长观测到的‘甜甜圈’大了近50%,相当于月球上的宇航员回望地球时看一个直径13厘米的环形补光灯的大小。”路如森说。

据了解,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,这使天文学家能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。

协调南北半球射电望远镜开展同步观测

如果说“事件视界望远镜”拍摄的照片是M87中心黑洞的“特写”,那么,此次科研团队拍摄到的就是M87中心黑洞的“全景”:有黑洞、黑洞周围的吸积流以及从吸积盘附近延伸向远处的喷流。

“事件视界望远镜”由8台射电望远镜或阵列组成,大部分射电望远镜布局在北半球,空间采样较为稀疏。此次参与观测的射电望远镜阵列增加到了16台,尤其是南半球射电望远镜的“助阵”,大大提高了观测拍摄的分辨率和灵敏度,使得研究团队首次在3.5毫米波长对M87中心黑洞周围的环状结构进行了成像。

然而,要协调遍布全球的射电望远镜同步观测绝非易事。

“在这一头,太阳落山了,望远镜看不到了,而另一个地方,太阳刚刚升起,观测正当时。”路如森说,对人类天文学事业孜孜不倦的共同追求,让研究团队不畏艰辛,克服了时差、地域等困难,最终完成了2018年4月14日至15日长达十几个小时的观测拍摄。而后,又经过了长达5年的数据处理和成像工作,得到这张弥足珍贵的新照片。“‘冲洗照片’和理论解释的过程同样倾注了全球科学家的心血,没有国际科研合作,就无法完成如此艰巨繁琐的工作。”路如森说。

接下来还要为黑洞拍摄动态照片

对M87中心黑洞的探索并没有结束,进一步的观测和强大的望远镜阵列将继续揭开它的神秘面纱。

研究团队透露,下一步的目标是与“事件视界望远镜”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。由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程,相比于“单色黑洞”,“彩色黑洞”将带给我们更多信息,帮助我们更好理解黑洞本身,以及它和周围环境的关系。

路如森说:“我们将拍摄更清晰的3.5毫米波长照片,结合‘事件视界望远镜’未来拍摄的更清晰的1.3毫米波长照片,未来下一代‘事件视界望远镜’拍摄的0.8毫米波长照片,以及在更遥远的未来空间甚长基线干涉测量拍摄的更短波长的照片,我们可以得到黑洞的‘彩色照片’。”

“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,我们需要拍摄更多色的高质量图像,包括在0.8毫米波长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,未来非常令人期待。”上海天文台台长沈志强研究员补充说。

研究团队的另一个目标是拍摄“动态黑洞”。黑洞并不是静止的,它每时每刻都在和周围环境相互作用,因此不同时刻看它,它是不一样的。拍摄“动态黑洞”将在空间维度上再解锁时间维度,让我们能够全方位地观测和理解黑洞。

由于M87中心黑洞变化缓慢,需要长时间的监测来拍摄它的变化。“事件视界望远镜”在过去几年进行了多次的连续成像观测,未来5年也有持续的观测计划。

路如森说:“针对快速变化的银心黑洞,目前‘事件视界望远镜’的望远镜分布不足以实现‘快拍模式’的动态摄影,‘丢帧’严重。但随着未来几年更多望远镜的加入,将能达到所需时间分辨率,拍到‘黑洞电影’。”(吴月辉  黄晓慧)