M87黑洞長什么樣？從人們印象中的片其噴流“紅色加熱器”，到如今有了更多的陰影細節。

2019年4月10日21時07分，成像比利時布魯塞爾、首次中國上海等六地共同發布來自事件視界望遠鏡的發布一項重大成果，揭開了黑洞的新照神秘面紗。

中國科學院上海天文臺代表中國在天文大廈3樓發布了首張黑洞照片。片其噴流這是陰影5500萬光年外的大質量星系M87中心超大質量黑洞的黑洞陰影照片，也是成像人類拍攝的首張黑洞照片。它是首次黑洞存在的直接“視覺”證據，從強引力場的發布角度驗證了愛因斯坦廣義相對論。

時隔4年，新照人類對于M87黑洞的片其噴流認識變得更為具體了，上海天文臺天文學家首次對黑洞陰影和強大噴流實現了一起成像。陰影

M87黑洞性質揭秘：它不是“很餓”

由中國科學院上海天文臺路如森研究員領導的一個國際研究團隊利用在毫米波段開展的新觀測，首次對著名的射電星系Messier 87的黑洞陰影以及其周圍顯示落入中央黑洞的物質的環狀結構和強大的相對論性噴流一同進行了成像。

圖像首次表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯系。此次的觀測結果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）聯合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠鏡（GLT）獲得。這兩個觀測臺站的加入大大增強了GMVA的成像能力。相關成果于北京時間4月26日晚11時發表于國際頂級學術期刊《自然》雜志。

“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖?！眮碜陨虾Ｌ煳呐_的天文學家、中德馬普伙伴小組組長、論文的第一作者路如森說。

黑洞周圍的物質被認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行過成像?！拔覀冎翱吹降沫h狀結構在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產生了額外的輻射。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程?！彼a充說。

ALMA和GLT參與了此次GMVA的觀測，并由此提高了這個洲際望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度。這使得人們首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環狀結構進行了成像。GMVA測得的環狀結構的直徑為64微角秒，相當于月球上的宇航員回望地球時看到的一個13厘米（5英寸）的環形補光燈的大小。這個直徑比事件視界望遠鏡（EHT）此前在1.3毫米觀測中所看到的環狀結構要大50%，符合對該區域相對論等離子體輻射的預期。

“通過在GMVA觀測中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我們獲得了一個新的視角。我們確實看到了我們在早期VLBI觀測中了解到的三齒狀的噴流?！蔽挥诘聡ǘ鞯鸟R普射電天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum說，“但是，現在我們可以看到噴流是如何從中央超大質量黑洞周圍的環狀結構中出現的，而且我們現在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環狀結構的直徑?！?/p>

來自M87的射電輻射是由高能電子和磁場的相互作用產生的，這種現象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測結果揭示了有關這些電子的位置和能量的更多細節。它們還揭示了一些關于黑洞本身的性質：它不是“很餓”。它消耗物質的速度很低，只將其中一小部分轉化為輻射。

M87黑洞陰影和強大噴流一起成像。上海市天文臺 供圖

日本國立天文臺的Kazuhiro Hada補充說：“我們還在數據中發現了一些令人驚訝的事情，在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度比我們預期的要寬。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’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂?！?/p>

對M87的探索并沒有結束，進一步的觀測和強大的望遠鏡陣列將繼續揭開它的神秘面紗。韓國天文和空間科學研究所的Jongho Park說：“未來毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變并且將通過結合不同顏色的‘射電光’的圖像來獲得M87中心黑洞區域的多色視圖?！?/p>

“是的，此次展現的3.5毫米波長圖像可以說是代表了當前的最新成就。但為了揭示M87中央超大質量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準直傳播的物理機制之謎，我們需要拍攝更多色的高質量圖像，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_臺長沈志強研究員補充說。

為黑洞“洗照片”歷時五年

實際上，這張特殊的黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍攝的。

由于爭取到“巨無霸”級的望遠鏡ALMA加入觀測陣列，所有人都對拍攝結果抱有很高期待。初步處理數據后，研究團隊就在數據中注意到了前所未有的新特征，這給團隊成員很大激勵。經復雜的數據處理和成圖過程，及反復驗證和確認結果，最終在五年后呈現出這張史無前例的新圖像。

一張照片的沖洗耗時五年，克服了許多難題。

首先，研究團隊在拍攝中遇到了很多意外情況。比如，陣列中的格陵蘭望遠鏡是一臺新的望遠鏡，它參與觀測時還在調試階段。在觀測過程中，其基于波導的相位旋轉器被錯誤地配置。路如森事后發現這一問題，在數據處理時開發了特別的算法解決了這個問題。

M87黑洞陰影和強大噴流一起成像。 上海市天文臺 供圖

其次，在將“生數據”處理成“熟數據”過程中，研究團隊前后做了四次VLBI分析中的“互相關處理”（cross-correlation）以及相應的“相關后處理”(post-correlation processing)分析，克服來回返工的煎熬，得到了最可靠的“熟數據”。

最后，從“熟數據”重建觀測圖像也遇到了前所未有的挑戰。困難源于這是一張視場很大的圖像，圖像里面包含著許多成分，且這些成分的亮度差異很大。通過匯聚遍布全球各地的許多合作者的經驗，經過各種嘗試和反復驗證，最終克服了這些困難。

這也是一次發動了全球觀測陣列的國際合作，由中國學者領銜，成員來自17個國家和地區、64家研究單位，共計121位，全球16臺望遠鏡參與觀測。

M87黑洞全景藝術想象圖。上海天文臺 供圖

下一步，上海天文臺計劃與EHT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，以及在更遙遠的未來空間VLBI拍攝的更短波長的照片。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，幫助科學家更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環境的關系。

另一個目標則是拍攝“動態黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時每刻都在和周圍環境相互作用，因此不同時刻看它，它是不一樣的。拍攝“動態黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓研究者能夠全方位的觀測和理解黑洞。對于M87黑洞，由于它變化緩慢，需要長時間的監測來拍攝它的變化，未來或許能拍到“黑洞電影”。