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’。”

本报记者 吴月辉 黄晓慧