科學家首次對黑洞的陰影及其周圍環狀結構和強大噴流一同成像

宇宙深處,定格黑洞“全景”(科技自立自強)

圖為M87中心黑洞陰影、吸積流和噴流一起成像的全景圖。中國科學院上海天文臺供圖

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對人類首次“看見”的M87中心黑洞,科學家又有新的觀測進展。近日,中科院上海天文臺研究員路如森領銜的國際研究團隊,首次對該黑洞的陰影及其周圍環狀結構和強大噴流一同進行成像。這張“全景”照片使天文學家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。

4年前,一張來自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動。2019年4月10日,“事件視界望遠鏡”項目發布第一次拍到的黑洞照片,黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心。

如今,人類首次“看見”的黑洞,有了“全景”照。日前,由中國科學院上海天文臺路如森研究員領銜的一個國際研究團隊,通過在毫米波段的觀測,首次對M87中心黑洞的陰影及其周圍環狀結構和強大噴流一同進行了成像。

路如森介紹,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波/亞毫米波陣列(ALMA)和格陵蘭望遠鏡(GLT)獲得。相關成果4月26日在國際學術期刊《自然》上發表。

更全面地了解黑洞周圍的物理過程

噴流是一種天文現象,看上去像一條火焰柱。人們將具有定向、狹長、高速的電離物質外流稱為噴流。噴流廣泛存在于宇宙中的許多天體中,如形成中的恒星、爆發中的激變變星、吸積中的黑洞等。

路如森說:“當噴流中物質速度接近光速時,該噴流被稱為相對論性噴流。大部分相對論性噴流與星系中心的超大質量黑洞有關。”

早在1918年,天文學家就已經觀測到噴流,但是噴流與黑洞到底是什么關系?百年來,謎團始終未解。觀測工作正是在一步步地試圖解開這個謎團。而M87中心黑洞距離地球僅5500萬光年,質量約為65億個太陽,非常適合拍照研究。

“M87有著明亮的長達5000光年的噴流,而M87中心黑洞正是噴流的源頭。因此,給它拍照可以幫助我們理解黑洞附近的環境,觀察黑洞周圍的物質是如何繞轉、掉進或被噴出的,進而研究黑洞和噴流的關系。”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,“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流,但這次在一個新的波段將M87中心黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現在同一張照片之中。”

“我們觀測到M87中心黑洞在3.5毫米波長的圖像也呈現‘甜甜圈’形態,比之前‘事件視界望遠鏡’在1.3毫米波長觀測到的‘甜甜圈’大了近50%,相當于月球上的宇航員回望地球時看一個直徑13厘米的環形補光燈的大小。”路如森說。

據了解,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,這使天文學家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。

協調南北半球射電望遠鏡開展同步觀測

如果說“事件視界望遠鏡”拍攝的照片是M87中心黑洞的“特寫”,那么,此次科研團隊拍攝到的就是M87中心黑洞的“全景”:有黑洞、黑洞周圍的吸積流以及從吸積盤附近延伸向遠處的噴流。

“事件視界望遠鏡”由8臺射電望遠鏡或陣列組成,大部分射電望遠鏡布局在北半球,空間采樣較為稀疏。此次參與觀測的射電望遠鏡陣列增加到了16臺,尤其是南半球射電望遠鏡的“助陣”,大大提高了觀測拍攝的分辨率和靈敏度,使得研究團隊首次在3.5毫米波長對M87中心黑洞周圍的環狀結構進行了成像。

然而,要協調遍布全球的射電望遠鏡同步觀測絕非易事。

“在這一頭,太陽落山了,望遠鏡看不到了,而另一個地方,太陽剛剛升起,觀測正當時。”路如森說,對人類天文學事業孜孜不倦的共同追求,讓研究團隊不畏艱辛,克服了時差、地域等困難,最終完成了2018年4月14日至15日長達十幾個小時的觀測拍攝。而后,又經過了長達5年的數據處理和成像工作,得到這張彌足珍貴的新照片。“‘沖洗照片’和理論解釋的過程同樣傾注了全球科學家的心血,沒有國際科研合作,就無法完成如此艱巨繁瑣的工作。”路如森說。

接下來還要為黑洞拍攝動態照片

對M87中心黑洞的探索并沒有結束,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。

研究團隊透露,下一步的目標是與“事件視界望遠鏡”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。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”將帶給我們更多信息,幫助我們更好理解黑洞本身,以及它和周圍環境的關系。

路如森說:“我們將拍攝更清晰的3.5毫米波長照片,結合‘事件視界望遠鏡’未來拍攝的更清晰的1.3毫米波長照片,未來下一代‘事件視界望遠鏡’拍攝的0.8毫米波長照片,以及在更遙遠的未來空間甚長基線干涉測量拍攝的更短波長的照片,我們可以得到黑洞的‘彩色照片’。”

“為了揭示M87中心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毫米波長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。”上海天文臺臺長沈志強研究員補充說。

研究團隊的另一個目標是拍攝“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,讓我們能夠全方位地觀測和理解黑洞。

由于M87中心黑洞變化緩慢,需要長時間的監測來拍攝它的變化。“事件視界望遠鏡”在過去幾年進行了多次的連續成像觀測,未來5年也有持續的觀測計劃。

路如森說:“針對快速變化的銀心黑洞,目前‘事件視界望遠鏡’的望遠鏡分布不足以實現‘快拍模式’的動態攝影,‘丟幀’嚴重。但隨著未來幾年更多望遠鏡的加入,將能達到所需時間分辨率,拍到‘黑洞電影’。”(吳月輝??黃曉慧)