科技自立自强
宇宙深处，定格黑洞“全景”（主题）
【资料图】
人民日报记者 吴月辉 黄晓慧
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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’。”
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