黑洞陰影和強(qiáng)大噴流首次同框成像

來(lái)自中國(guó)科學(xué)院(中科院)的最新消息說(shuō)，中科院上海天文臺(tái)研究員、中德馬普伙伴小組組長(zhǎng)路如森領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用在3.5毫米波段開(kāi)展的最新觀測(cè)，首次對(duì)著名射電星系M87的黑洞陰影以及其周?chē)淙胫醒牒诙吹奈镔|(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的相對(duì)論性噴流一起進(jìn)行成像。該同框圖像為首次在3.5毫米波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)成像，也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。

此次M87圖像觀測(cè)結(jié)果是由全球毫米波甚長(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，后兩個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的加入大大增強(qiáng)了GMVA的成像能力。

北京時(shí)間4月26日夜間，來(lái)自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)共64家研究單位121位科研人員共同“拍攝”完成的M87黑洞陰影和強(qiáng)大噴流首次同框影像及相關(guān)成果論文，在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上線發(fā)表。

新波段拍攝到黑洞及噴流“全景圖”

論文第一作者路如森研究員介紹說(shuō)，黑洞周?chē)奈镔|(zhì)被認(rèn)為是在一個(gè)被稱為吸積的過(guò)程中落入黑洞的，但是此前從來(lái)沒(méi)有人直接對(duì)它進(jìn)行過(guò)成像。“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’”，“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，從而使得我們能夠更全面地了解黑洞周?chē)奈锢磉^(guò)程”。

他指出，ALMA、GLT與GMVA組成全新觀測(cè)陣容，提高全球望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度，使得天文學(xué)家首次在3.5毫米波長(zhǎng)對(duì)M87黑洞周?chē)沫h(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。新陣列測(cè)得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑為64微角秒，相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時(shí)看到的一個(gè)13厘米的環(huán)形補(bǔ)光燈的大小。這個(gè)直徑比事件視界望遠(yuǎn)鏡此前在1.3毫米波段觀測(cè)中所看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)要大50%，符合對(duì)該區(qū)域相對(duì)論等離子體輻射的預(yù)期。

這次發(fā)表的M87黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍攝，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和成圖過(guò)程，以及反復(fù)驗(yàn)證和確認(rèn)結(jié)果，最終在5年后“沖洗”完成并呈現(xiàn)出這張史無(wú)前例的新圖像。它與4年前發(fā)布的人類(lèi)首張黑洞照片相比有兩個(gè)不同點(diǎn)：一是本次觀測(cè)波長(zhǎng)是3.5毫米，而EHT的觀測(cè)波長(zhǎng)是1.3毫米；二是本次觀測(cè)聯(lián)合了16臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，而EHT的觀測(cè)聯(lián)合了8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。

“EHT拍攝的照片是黑洞的‘特寫(xiě)’，看到亮環(huán)圍繞著中間的陰影。此次我們拍攝到黑洞的‘全景’，在這張照片中有黑洞、黑洞周?chē)奈e流、以及從盤(pán)附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。這張照片作為EHT照片的拓展，充分展現(xiàn)了黑洞和它周?chē)h(huán)境的關(guān)系。”路如森通俗解釋說(shuō)。

最新觀測(cè)結(jié)果揭示黑洞本身不是“很餓”

“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，確實(shí)看到了我們?cè)谠缙赩LBI(甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量)觀測(cè)中了解到的三齒狀的噴流。”論文共同作者、德國(guó)馬普射電天文研究所托馬斯·克里奇鮑姆(Thomas Krichbaum)認(rèn)為，“但是，現(xiàn)在我們可以看到噴流是如何從中央超大質(zhì)量黑洞周?chē)沫h(huán)狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的，而且也可以在另一個(gè)波段測(cè)量黑洞周?chē)h(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑”。

中科院上海天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)指出，來(lái)自M87黑洞的射電輻射是由高能電子和磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生，這種輻射被稱為同步加速輻射，在3.5毫米波長(zhǎng)，新的觀測(cè)結(jié)果揭示出有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細(xì)節(jié)，還包括一些關(guān)于黑洞本身的性質(zhì)：它不是“很餓”，其消耗物質(zhì)的速度很低，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。

論文共同作者、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)“中央研究院”天文和天體物理研究所的淺田圭一(Keiichi Asada)解釋說(shuō)：“為了解M87黑洞這個(gè)更大、更厚的環(huán)的物理來(lái)源，我們不得不使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)測(cè)試不同的情況，最終得出結(jié)論顯示，亮環(huán)的較大范圍與吸積流有關(guān)”。論文共同作者、日本國(guó)立天文臺(tái)秦和弘(Kazuhiro Hada)補(bǔ)充稱，“我們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)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”。

未來(lái)將拍攝“彩色黑洞”“動(dòng)態(tài)黑洞”

中科院上海天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)表示，雖然已完成黑洞“特寫(xiě)”和“全景”照片的拍攝，但天文學(xué)家對(duì)M87黑洞的探索并沒(méi)有結(jié)束，后續(xù)進(jìn)一步的觀測(cè)和未來(lái)更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開(kāi)它的神秘面紗。

路如森透露，研究團(tuán)隊(duì)下一步的目標(biāo)，一是與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，他們將拍攝更清晰的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，就可以得到黑洞的“彩色照片”。由于不同波長(zhǎng)的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過(guò)程，相比于“單色黑洞”，“彩色黑洞”將帶給天文學(xué)家更多信息，幫助更好地理解黑洞本身，以及它和周?chē)h(huán)境的關(guān)系。

二是拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時(shí)每刻都在和周?chē)h(huán)境相互作用，因此不同時(shí)刻看它，它是不一樣的。拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時(shí)間維度，讓天文學(xué)家能夠全方位的觀測(cè)和理解黑洞。對(duì)于M87黑洞，由于它變化緩慢，需要長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)來(lái)拍攝它的變化，EHT在過(guò)去幾年進(jìn)行了多次的連續(xù)成像觀測(cè)，未來(lái)5年也有持續(xù)的觀測(cè)計(jì)劃，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)M87黑洞在10年時(shí)間跨度上的電影。針對(duì)快速變化的銀心黑洞，目前EHT的望遠(yuǎn)鏡分布不足以實(shí)現(xiàn)“快拍模式”的動(dòng)態(tài)攝影，“丟幀”嚴(yán)重，但隨著未來(lái)幾年更多望遠(yuǎn)鏡的加入，將能達(dá)到所需時(shí)間分辨率，拍到“黑洞電影”。

論文共同作者、韓國(guó)天文和空間科學(xué)研究所瓊戈·帕克(Jongho Park)認(rèn)為，未來(lái)毫米波觀測(cè)將研究M87黑洞的時(shí)間演變并且將通過(guò)結(jié)合不同顏色的“射電光”的圖像，來(lái)獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。

“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，未來(lái)非常令人期待。”論文共同作者、中科院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)研究員總結(jié)強(qiáng)調(diào)。(完)