M87黑洞有了新照片，其阴影与强大喷流成像首次发布

16个参与观测的台站。MPIfR/Helge Rottmann 图 

M87黑洞长什么样？从人们印象中的“红色加热器”，到如今有了更多的细节。

2019年4月10日21时07分，比利时布鲁塞尔、中国上海等六地共同发布来自事件视界望远镜的一项重大成果，揭开了黑洞的神秘面纱。

中国科学院上海天文台代表中国在天文大厦3楼发布了首张黑洞照片。这是5500万光年外的大质量星系M87中心超大质量黑洞的黑洞阴影照片，也是人类拍摄的首张黑洞照片。它是黑洞存在的直接“视觉”证据，从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。

时隔4年，人类对于M87黑洞的认识变得更为具体了，上海天文台天文学家首次对黑洞阴影和强大喷流实现了一起成像。

M87黑洞性质揭秘：它不是“很饿”

由中国科学院上海天文台路如森研究员领导的一个国际研究团队利用在毫米波段开展的新观测，首次对著名的射电星系Messier 87的黑洞阴影以及其周围显示落入中央黑洞的物质的环状结构和强大的相对论性喷流一同进行了成像。

图像首次表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。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/亚毫米阵列（ALMA）和格陵兰望远镜（GLT）获得。这两个观测台站的加入大大增强了GMVA的成像能力。相关成果于北京时间4月26日晚11时发表于国际顶级学术期刊《自然》杂志。

“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图。”来自上海天文台的天文学家、中德马普伙伴小组组长、论文的第一作者路如森说。

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。“我们之前看到的环状结构在3.5毫米波长变得更大、更厚。这表明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。这使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。”他补充说。

ALMA和GLT参与了此次GMVA的观测，并由此提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度。这使得人们首次在3.5毫米波长对M87黑洞周围的环状结构进行了成像。GMVA测得的环状结构的直径为64微角秒，相当于月球上的宇航员回望地球时看到的一个13厘米（5英寸）的环形补光灯的大小。这个直径比事件视界望远镜（EHT）此前在1.3毫米观测中所看到的环状结构要大50%，符合对该区域相对论等离子体辐射的预期。

“通过在GMVA观测中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我们获得了一个新的视角。我们确实看到了我们在早期VLBI观测中了解到的三齿状的喷流。”位于德国波恩的马普射电天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum说，“但是，现在我们可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的，而且我们现在也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径。”

来自M87的射电辐射是由高能电子和磁场的相互作用产生的，这种现象被称为同步辐射。在3.5毫米波长，新的观测结果揭示了有关这些电子的位置和能量的更多细节。它们还揭示了一些关于黑洞本身的性质：它不是“很饿”。它消耗物质的速度很低，只将其中一小部分转化为辐射。

M87黑洞阴影和强大喷流一起成像。上海市天文台 供图

日本国立天文台的Kazuhiro Hada补充说：“我们还在数据中发现了一些令人惊讶的事情，在靠近黑洞的内部区域，辐射的宽度比我们预期的要宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入，也可能有一股‘风’吹出来，造成黑洞周围的湍流和混乱。”

对M87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。韩国天文和空间科学研究所的Jongho Park说：“未来毫米波观测将研究M87黑洞的时间演变并且将通过结合不同颜色的‘射电光’的图像来获得M87中心黑洞区域的多色视图。”

“是的，此次展现的3.5毫米波长图像可以说是代表了当前的最新成就。但为了揭示M87中央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。

为黑洞“洗照片”历时五年

实际上，这张特殊的黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍摄的。

由于争取到“巨无霸”级的望远镜ALMA加入观测阵列，所有人都对拍摄结果抱有很高期待。初步处理数据后，研究团队就在数据中注意到了前所未有的新特征，这给团队成员很大激励。经复杂的数据处理和成图过程，及反复验证和确认结果，最终在五年后呈现出这张史无前例的新图像。

一张照片的冲洗耗时五年，克服了许多难题。

首先，研究团队在拍摄中遇到了很多意外情况。比如，阵列中的格陵兰望远镜是一台新的望远镜，它参与观测时还在调试阶段。在观测过程中，其基于波导的相位旋转器被错误地配置。路如森事后发现这一问题，在数据处理时开发了特别的算法解决了这个问题。

M87黑洞阴影和强大喷流一起成像。 上海市天文台 供图

其次，在将“生数据”处理成“熟数据”过程中，研究团队前后做了四次VLBI分析中的“互相关处理”（cross-correlation）以及相应的“相关后处理”(post-correlation processing)分析，克服来回返工的煎熬，得到了最可靠的“熟数据”。

最后，从“熟数据”重建观测图像也遇到了前所未有的挑战。困难源于这是一张视场很大的图像，图像里面包含着许多成分，且这些成分的亮度差异很大。通过汇聚遍布全球各地的许多合作者的经验，经过各种尝试和反复验证，最终克服了这些困难。

这也是一次发动了全球观测阵列的国际合作，由中国学者领衔，成员来自17个国家和地区、64家研究单位，共计121位，全球16台望远镜参与观测。

M87黑洞全景艺术想象图。上海天文台 供图

下一步，上海天文台计划与EHT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，以及在更遥远的未来空间VLBI拍摄的更短波长的照片。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”将带来更多信息，帮助科学家更好地理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。

另一个目标则是拍摄“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，让研究者能够全方位的观测和理解黑洞。对于M87黑洞，由于它变化缓慢，需要长时间的监测来拍摄它的变化，未来或许能拍到“黑洞电影”。