人类首次“看见”的那个黑洞，天文学家拍到了全景图

IT之家 4 月 27 日消息，对人类首次“看见”的那个黑洞，科学家又有新的观测进展。

(资料图)

IT之家从中国科学院上海天文台官方公众号获悉，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，首次对著名的射电星系 Messier 87 的黑洞阴影以及其周围显示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。

人类首次“看见”的这个黑洞，位于室女座一个巨椭圆星系 M87 的中心，距离地球 5500 万光年，质量约为太阳的 65 亿倍，它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。2019 年 4 月 10 日，科学家们首次发布了 M87 黑洞的图像，并在此后持续开展对 M87 黑洞的观测研究。

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 / 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大大增强了 GMVA 的成像能力。相关成果发表在本期出版的国际顶级学术期刊《自然》杂志上。

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）。

“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”，来自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。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”，他补充说。

值得注意的是，实际上，这张特殊的黑洞新照片是在 2018 年 4 月 14 日至 15 日拍摄的。一张照片的冲洗耗时五年，克服了许多难题。

ALMA 和 GLT 参与了此次 GMVA 的观测，并由此提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度。这使得我们首次在 3.5 毫米波长对 M87 黑洞周围的环状结构进行了成像。GMVA 测得的环状结构的直径为 64 微角秒，相当于月球上的宇航员回望地球时看到的一个 13 厘米（5 英寸）的环形补光灯的大小。这个直径比事件视界望远镜（EHT）此前在 1.3 毫米观测中所看到的环状结构要大 50%，符合对该区域相对论等离子体辐射的预期。

“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。“但是，现在我们可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的，而且我们现在也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径。”

来自 M87 的射电辐射是由高能电子和磁场的相互作用产生的，这种现象被称为同步辐射。在 3.5 毫米波长，新的观测结果揭示了有关这些电子的位置和能量的更多细节。它们还告诉我们一些关于黑洞本身的性质：它不是“很饿”。它消耗物质的速度很低，只将其中一小部分转化为辐射。台湾地区“中研院”天文和天体物理研究所的 Keiichi Asada 解释说：“为了了解这个更大、更厚的环的物理来源，我们不得不使用计算机模拟来测试不同的情况。最终我们得出结论，亮环的较大范围与吸积流有关”。

日本国立天文台的 Kazuhiro Hada 补充说：“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”。

对 M87 的探索并没有结束，因为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。韩国天文和空间科学研究所的 Jongho Park 说：“未来毫米波观测将研究 M87 黑洞的时间演变并且将通过结合不同颜色的“射电光”的图像来获得 M87 中心黑洞区域的多色视图”。

“是的，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，未来非常令人期待”，上海天文台台长沈志强研究员补充说。

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