距離2019年4月全球科學(xué)家發(fā)布第一張黑洞照片已過(guò)去4年多，天文學(xué)家又有新的重大發(fā)現(xiàn)。

(資料圖)

由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)路如森研究員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用在毫米波段開(kāi)展的新觀測(cè)，首次對(duì)著名的M87黑洞陰影以及其周?chē)e落入中央黑洞的物質(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的相對(duì)論性噴流一同進(jìn)行了成像。圖像首次表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系。相關(guān)成果26日晚11時(shí)許發(fā)表在本期出版的國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

本次拍攝將16臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡連起來(lái)，組成一臺(tái)口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。這一由中國(guó)學(xué)者領(lǐng)銜的國(guó)際合作項(xiàng)目，成員來(lái)自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)、64家研究單位，共計(jì)121位。

圖1: M87在3.5毫米波長(zhǎng)所觀測(cè)到的圖像，其致密的核心首次在該波段被分解并在高分辨率條件下呈現(xiàn)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)（內(nèi)嵌圖）。[圖源：R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR),and S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)]

這張照片有何不同？

相比以前的照片，此次觀測(cè)首次將M87黑洞的陰影以及其周?chē)e流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中。

“以前我們?cè)趩为?dú)的圖像中分別看到過(guò)黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們?cè)谝粋€(gè)新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖”，上海天文臺(tái)的天文學(xué)家、中德馬普伙伴小組組長(zhǎng)、論文的第一作者路如森說(shuō)。他對(duì)第一財(cái)經(jīng)解釋?zhuān)诙粗車(chē)奈镔|(zhì)被認(rèn)為是在一個(gè)被稱(chēng)為吸積的過(guò)程中落入黑洞的，但是從來(lái)沒(méi)有人直接對(duì)它進(jìn)行過(guò)成像。“我們之前看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)在3.5毫米波長(zhǎng)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(zhì)產(chǎn)生了額外的輻射。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周?chē)奈锢磉^(guò)程”。

科學(xué)家們觀測(cè)到M87黑洞在3.5毫米的圖像也呈現(xiàn)“甜甜圈”形態(tài)，比此前EHT在1.3毫米觀測(cè)到的“甜甜圈”大了近50%。并且看到從“甜甜圈”向遠(yuǎn)處延展的“尾巴”，它是黑洞的噴流。

日本國(guó)立天文臺(tái)的Kazuhiro Hada說(shuō)：“我們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事情：在靠近黑洞的內(nèi)部區(qū)域，輻射的寬度比我們預(yù)期的要寬。這可能意味著黑洞周?chē)粌H僅有氣體落入，也可能有一股“風(fēng)”吹出來(lái)，造成黑洞周?chē)耐牧骱突靵y”。

上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)研究員對(duì)第一財(cái)經(jīng)介紹，此次展現(xiàn)的3.5毫米波長(zhǎng)圖像可以說(shuō)是代表了當(dāng)前的最新成就。“但為了揭示M87中央超大質(zhì)量黑洞及其相對(duì)論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機(jī)制之謎，我們需要拍攝更多色的高質(zhì)量圖像，包括在0.8毫米或更短的亞毫米波波長(zhǎng)的黑洞照片，以及在長(zhǎng)至7.0毫米波長(zhǎng)的黑洞和噴流的全景圖像。”

“洗”照片用了5年

此次的這張全景圖由全球毫米波甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）獲得。這兩個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的加入提高了這個(gè)洲際望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度。

“通過(guò)在GMVA觀測(cè)中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我們獲得了一個(gè)新的視角。我們確實(shí)看到了我們?cè)谠缙赩LBI觀測(cè)中了解到的三齒狀的噴流”，位于德國(guó)波恩的馬普射電天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum說(shuō)。

路如森說(shuō)，本次公布的黑洞新照片其實(shí)在2018年4月14日至15日就已經(jīng)拍好。

路如森，金葉子／攝

談到為何要在5年后發(fā)布，路如森對(duì)第一財(cái)經(jīng)解釋道，在初步處理數(shù)據(jù)后，他們就在數(shù)據(jù)中注意到了前所未有的新特征，這給團(tuán)隊(duì)成員很大激勵(lì)。經(jīng)過(guò)了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和成圖過(guò)程，及反復(fù)驗(yàn)證和確認(rèn)結(jié)果，最終在五年后呈現(xiàn)出這張新圖像。

“舉個(gè)例子，去年我們參與的全球首張銀河系中心黑洞照片其實(shí)也是是2017年拍攝的，這中間也是花了5年的時(shí)間。VLBI（常規(guī)甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量）這一塊，實(shí)際上還是比較復(fù)雜，需要花時(shí)間的，所以說(shuō)拍照的時(shí)間可能就10個(gè)小時(shí)或者是甚至5個(gè)小時(shí)。但是 ‘洗照片 ’的過(guò)程，包括后邊的理論解釋?zhuān)赡芑ǖ臅r(shí)間就要多得多，這是我們?yōu)槭裁匆〝?shù)年的時(shí)間才能得到這樣一張照片的原因。”

據(jù)介紹，關(guān)于M87黑洞研究的下一步的目標(biāo)是與EHT一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀測(cè)波長(zhǎng)上給黑洞拍照。“我們將拍攝更清晰的3.5毫米照片，結(jié)合未來(lái)EHT拍攝的更清晰的1.3毫米照片，未來(lái)下一代EHT拍攝的0.8毫米照片，以及在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)空間VLBI拍攝的更短波長(zhǎng)的照片，我們可以得到黑洞的 ‘彩色照片’。”

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