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出品：科普中國(guó)

作者：路如森（中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

原文題：《換個(gè)“頻道”看黑洞：M87黑洞不再孤單！》

北京時(shí)間2023年4月26日晚，一個(gè)由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)公布了在“新頻道”拍攝的黑洞“全景照”，即對(duì)首次被人類抓拍到定妝照的“明星黑洞”——M87黑洞在新的觀測(cè)頻段的拍攝結(jié)果，如圖1所示。

這一拍攝首次將M87黑洞的陰影以及其周圍的吸積流和噴流形成區(qū)呈現(xiàn)在同一張照片之中。這張新照片能夠幫助天文學(xué)家分解和分析M87黑洞周圍環(huán)境中的不同物理過(guò)程并進(jìn)而了解其全貌。這一工作發(fā)表在本期出版的《自然》雜志上。

圖1: 全球毫米波VLBI陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）及格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）在3.5毫米所觀測(cè)到的M87的噴流結(jié)構(gòu)（其中顏色以對(duì)數(shù)刻度標(biāo)出），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，其中顏色以線性刻度標(biāo)出）。該環(huán)狀結(jié)構(gòu)的角直徑比事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）在1.3毫米處所觀測(cè)到環(huán)狀結(jié)構(gòu)大了近50%。

圖片來(lái)源：R.-S.Lu (SHAO), E.Ros (MPIfR), and S.Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

在“新頻道”上拍黑洞的“尾巴”

2019年4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組宣布在M87星系的中心捕獲人類首張黑洞照片，使得M87黑洞在全球一夜間“爆紅”，成為了黑洞中人盡皆知的“明星大咖”。

然而，熟悉M87觀測(cè)歷史的人都知道，早在100多年前，人們便發(fā)現(xiàn)M87星系中有一條奇特的準(zhǔn)直光束“curious straight ray”（即噴流）從其中心發(fā)出并延伸至5000光年之外，這就是M87的噴流。

實(shí)際上，到目前為止，M87中的噴流已經(jīng)在所有電磁輻射波段——從低能的射電波段到高能的伽馬射線波段，都進(jìn)行了充分的成像研究，如圖2所示。但奇怪的是，EHT前期拍攝的黑洞圖像中卻沒(méi)有看到噴流。此外，理論認(rèn)為黑洞周圍存在著吸積流，它是“點(diǎn)亮”噴流的能源，此前也沒(méi)有對(duì)吸積流的直接成像探測(cè)。

圖2: M87星系中心在不同尺度上的圖像

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)4

那么問(wèn)題來(lái)了，為什么EHT沒(méi)有拍到噴流？這有兩個(gè)可能的原因。一個(gè)是望遠(yuǎn)鏡分布的原因：EHT是全球8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，其中望遠(yuǎn)鏡間的距離都過(guò)遠(yuǎn)，由該陣列所形成的虛擬望遠(yuǎn)鏡的“視野”會(huì)被限制在黑洞周圍的一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，因此對(duì)拍攝黑洞外面的噴流力有不逮。

另一個(gè)是噴流本身的原因。噴流在較短觀測(cè)波長(zhǎng)上看起來(lái)更暗一些，因而變得難以探測(cè)。尤其在EHT工作的1.3毫米波段上，由于受到強(qiáng)烈的黑洞引力透鏡效應(yīng)影響，來(lái)自吸積流和噴流的光線都會(huì)被彎曲成大小差不多的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。所以即使EHT拍攝到了噴流，它也很可能隱藏在陰影周圍的亮環(huán)之中。由此，這也意味著單純通過(guò)黑洞周圍亮環(huán)在1.3毫米的圖像并無(wú)法區(qū)分其是由吸積流還是噴流所產(chǎn)生的。

為了拍攝到EHT沒(méi)有拍到的初始噴流形成區(qū)，以及對(duì)M87黑洞周圍吸積流進(jìn)行成像探測(cè)，探索黑洞和吸積流、噴流的聯(lián)系，我們?cè)谇捌诠ぷ鞯幕A(chǔ)上，于2018年4月首次利用16臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成等效于地球直徑大小的射電望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米波段對(duì)M87開(kāi)展了成像觀測(cè)，觀測(cè)陣列示意圖如圖3所示。

這16臺(tái)望遠(yuǎn)鏡通過(guò)甚長(zhǎng)基線干涉(VLBI)技術(shù)組合成陣列，其中包含全球毫米波VLBI陣列（GMVA）中的14臺(tái)望遠(yuǎn)鏡和阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)以及格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）。相比之前單獨(dú)利用GMVA開(kāi)展的觀測(cè)，ALMA的加入大大提升了陣列的觀測(cè)能力。它使我們?cè)谀媳狈较颍创怪庇趪娏鞯姆较颍┑姆直姹绢I(lǐng)提高4倍，并且憑借其超高的靈敏度“錨定”整個(gè)陣列。ALMA就像目前毫米波VLBI觀測(cè)陣列中真正的游戲規(guī)則改變者，因此，從獲取ALMA觀測(cè)項(xiàng)目的那一刻起，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都興奮了起來(lái)，因?yàn)榇蠹叶贾?，真正的“王炸”要?lái)了!

圖3:由全球毫米波VLBI陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）及格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）所組成的2018年的觀測(cè)陣列示意圖

圖片來(lái)源：MPIfR/Helge Rottmann

新陣列拍到的全新特征

要將一手好牌打贏并非易事。新組成的望遠(yuǎn)鏡陣列聯(lián)合工作，各種意料之外的事情時(shí)有發(fā)生。比如，此次加入陣列的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)新的望遠(yuǎn)鏡，它參與工作時(shí)尚在調(diào)試階段。在觀測(cè)過(guò)程中，其基于波導(dǎo)的相位旋轉(zhuǎn)器被錯(cuò)誤地配置，使得后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析需要開(kāi)發(fā)特別的算法來(lái)處理。像這類觀測(cè)中的意外情況還有很多。

為此，我們前后做了四次VLBI分析中的“互相關(guān)處理”（cross-correlation）以及相應(yīng)的“相關(guān)后處理”(post-correlation processing)分析，才最終獲得能夠用來(lái)可靠成像的數(shù)據(jù)。

盡管這種反復(fù)的處理給人帶來(lái)煎熬，但當(dāng)筆者第一次初步處理完部分?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行檢查確認(rèn)時(shí)，還是第一眼就被其中有意思的特征驚艷到了。我們發(fā)現(xiàn)在一些由陣列中相距很遠(yuǎn)的三個(gè)望遠(yuǎn)鏡所組成的基線三角形上測(cè)量到的“閉合相位”幾乎是180度，這意味著M87的“射電核心”（radio core）被分解開(kāi)了！

同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)測(cè)量到的“可見(jiàn)度”（visibility）的幅度隨著基線長(zhǎng)度的增加會(huì)先降低然后再升高，形成所謂的“零點(diǎn)”（visibility null）[見(jiàn)下文及圖4]。這些是以前在任何類似的3.5毫米觀測(cè)中都未曾看到過(guò)的數(shù)據(jù)特征。

這種意想不到的特征不禁使人興奮，也給了我們繼續(xù)前行莫大的動(dòng)力，團(tuán)隊(duì)成員都心照不宣，知道這一次應(yīng)該肯定“有貨”了。為了確?！俺鲐洝笨煽?，我們一方面通過(guò)不同團(tuán)隊(duì)成員分別進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)來(lái)互相驗(yàn)證結(jié)果，另一方面通過(guò)使用不同的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

實(shí)際上，這些數(shù)據(jù)特征在成像之前就已經(jīng)告訴我們很多M87黑洞結(jié)構(gòu)的信息。比如，不論是“閉合相位”還是“可見(jiàn)度”的幅度特征都與預(yù)期的一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)相一致，而且幅度信息中“零點(diǎn)”出現(xiàn)的位置還能夠告訴我們環(huán)的大小。圖4中顯示了一個(gè)理想的圓環(huán)所對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)度幅度隨著望遠(yuǎn)鏡間的基線長(zhǎng)度的變化。隨著環(huán)的大小的變化，“零點(diǎn)”的位置也會(huì)改變。

有意思的是，我們?cè)?.5毫米測(cè)得的“零點(diǎn)”位置與EHT之前在1.3毫米所觀測(cè)到的第一個(gè)“零點(diǎn)”的位置明顯不同，表明兩個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的大小是不同的。由于我們測(cè)量到的“零點(diǎn)”所在位置對(duì)應(yīng)的基線長(zhǎng)度較短，意味著在3.5毫米所觀測(cè)到的環(huán)更大！同時(shí)，我們也有充分且可靠的證據(jù)表明兩個(gè)環(huán)的不同大小并非是由于觀測(cè)時(shí)間的不同而造成的（黑洞并沒(méi)有長(zhǎng)胖?。?。

那么問(wèn)題又來(lái)了，環(huán)的大小不同重要么？

圖4：理想的圓環(huán)模型所對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)度數(shù)據(jù)的幅度隨著（投影的）望遠(yuǎn)鏡間基線長(zhǎng)度（以觀測(cè)波長(zhǎng)為單位）的變化。隨著圓環(huán)直徑的增大，其可見(jiàn)度的第一個(gè)“零點(diǎn)”位置會(huì)向著短基線方向移動(dòng)。圖中黑色豎線標(biāo)出目前地面上全球3.5毫米陣列所能達(dá)到的最長(zhǎng)基線長(zhǎng)度（約3×109倍波長(zhǎng)）。對(duì)于一個(gè)理想的，大小與之前EHT觀測(cè)結(jié)果相一致的42個(gè)微角秒的圓環(huán)，地面陣列在3.5毫米難以探測(cè)到該標(biāo)志性特征，因此難以將其分解開(kāi)并確定其具體形狀。然而，對(duì)于一個(gè)大小為64個(gè)微角秒的理想圓環(huán)，其對(duì)應(yīng)的第一個(gè)“零點(diǎn)”卻可以被地面的3.5毫米陣列所探測(cè)。

圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)

顛覆認(rèn)知假設(shè)的大“甜甜圈”

其實(shí)，起初根本就沒(méi)有人想過(guò)地面的干涉陣列能在3.5毫米觀測(cè)到一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，或者說(shuō)探測(cè)到可見(jiàn)度中的這個(gè)“零點(diǎn)”！

這是因?yàn)镋HT黑洞陰影圖像中的“甜甜圈”如果對(duì)應(yīng)于黑洞周圍的那個(gè)無(wú)色的（achromatic）的光子環(huán)，那么它的大?。ń侵睆剑┰?.5毫米應(yīng)該與在1.3毫米一樣也是42微角秒，其可見(jiàn)度幅度的第一個(gè)“零點(diǎn)”的位置將遠(yuǎn)超地球上3.5毫米陣列所能覆蓋的范圍（圖4中黑線所示），所以將不可探測(cè)。

在這一根深蒂固的假設(shè)下，人們不相信地面陣列能在3.5毫米探測(cè)到一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。一個(gè)有意思的事情是為了維護(hù)這一假設(shè)，甚至有的合作者在我們提出新觀測(cè)項(xiàng)目時(shí)，不允許使用“ring”或“ring-like”這類“特定”用來(lái)描述EHT圖像中甜甜圈的詞。

圖5: M87*（即M87的射電核心）在3.5毫米和1.3毫米的實(shí)際觀測(cè)圖像

圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)

我們實(shí)際看到了比猜想更大的環(huán)，顛覆了先前的假設(shè)。

我們?cè)趶挠^測(cè)數(shù)據(jù)重建圖像的過(guò)程中，進(jìn)一步確認(rèn)了這一結(jié)果。我們通過(guò)不同的VLBI成像方法均發(fā)現(xiàn)圖像中存在一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，與觀測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的特征相符合。與前期開(kāi)展的EHT工作類似，我們也通過(guò)大量成像參數(shù)的搜索來(lái)確定最終的圖像。

此外，除了成像參數(shù)，我們還考慮數(shù)據(jù)中噴流成份對(duì)致密核區(qū)中環(huán)狀結(jié)構(gòu)成像的潛在影響。通過(guò)分析大量的圖像以及陣列中望遠(yuǎn)鏡的布局和各種成像參數(shù)對(duì)圖像細(xì)節(jié)帶來(lái)的可能影響，我們最終能夠確定M87的核心中確實(shí)存在一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)。

最終，通過(guò)對(duì)大量圖像中環(huán)狀結(jié)構(gòu)大小的測(cè)量以及通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的直接模型擬合，我們能夠確定在3.5毫米觀測(cè)到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的大小為64微角秒，比EHT在1.3毫米測(cè)得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)（42微角秒）大了近50% ！

那么這個(gè)新的大甜甜圈意味著什么呢？

新圖像揭示的物理

我們利用計(jì)算機(jī)模擬黑洞的吸積流和噴流，計(jì)算這些物理過(guò)程中產(chǎn)生的光線如何形成觀測(cè)到的圖像。我們想了解形成環(huán)結(jié)構(gòu)的光線主要來(lái)自于吸積流還是噴流，于是對(duì)比了光線全部產(chǎn)生于吸積流和光線全部產(chǎn)生于噴流這兩種情況（考慮光線主要產(chǎn)生于吸積流和光線主要產(chǎn)生于噴流的情況時(shí)并不會(huì)改變最后的結(jié)論）。

我們發(fā)現(xiàn)在1.3毫米，來(lái)自吸積流和噴流的光線都可以在引力透鏡效應(yīng)下形成和EHT觀測(cè)相一致的環(huán)。但在3.5毫米，只有吸積流模型可以產(chǎn)生與我們觀測(cè)相一致的較大的環(huán)。這是因?yàn)槲e流并不完全“透明”，吸積流內(nèi)區(qū)產(chǎn)生的光線在穿過(guò)外區(qū)時(shí)會(huì)被吸收掉一部分，而外區(qū)產(chǎn)生的光線則不會(huì)被吸收。這樣一來(lái)，光線將更多來(lái)自吸積流的外區(qū)，形成一個(gè)較大的環(huán)結(jié)構(gòu)圖像。

理論上，如果將黑洞周圍的“甜甜圈”更進(jìn)一步分解的話，它其實(shí)是由許多不同的子環(huán)組成的。受引力透鏡的影響，部分光線會(huì)繞轉(zhuǎn)黑洞數(shù)圈才達(dá)到觀測(cè)者，形成很細(xì)的子環(huán)。若用n來(lái)表示子環(huán)的序號(hào)，則光線在到達(dá)觀測(cè)者之前已經(jīng)繞黑洞旋轉(zhuǎn)了n/2圈。n=0的環(huán)為光線發(fā)出后直接到達(dá)望遠(yuǎn)鏡形成的圖像，只有這個(gè)環(huán)的大小隨觀測(cè)波長(zhǎng)變化。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，吸積流越“不透明”，n=0的環(huán)也就越大[圖6]。

圖6：黑洞圖像構(gòu)成示意圖。黑洞由于強(qiáng)大的引力會(huì)在周圍明亮的物質(zhì)上投下“陰影”。該陰影以明亮的光環(huán)為界，對(duì)應(yīng)于逃逸前經(jīng)過(guò)黑洞附近的光子。該環(huán)是由越來(lái)越尖銳的子環(huán)疊加而成，第n個(gè)子環(huán)對(duì)應(yīng)的光子在到達(dá)觀察者之前繞黑洞旋轉(zhuǎn)了n/2圈，其中n=0的子環(huán)是黑洞周圍輻射區(qū)的“直接”圖像。當(dāng)觀測(cè)波長(zhǎng)增加時(shí)，由于受到輻射的不透明度影響，該n=0的環(huán)的直徑會(huì)變大。

圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)

吸積流模型對(duì)觀測(cè)的成功解釋，也意味著此次觀測(cè)首次對(duì)吸積流進(jìn)行了直接的成像探測(cè)。

另一方面，新圖像中的噴流結(jié)構(gòu)也讓我們得以進(jìn)一步了解它的起源。

由于我們觀測(cè)陣列中的臺(tái)站（共16個(gè)）比EHT陣列多（EHT首次黑洞成像只有分布于5地的7個(gè)臺(tái)站），靈敏度高，而且由于噴流在該波段更亮，所以實(shí)現(xiàn)了對(duì)距黑洞～100個(gè)史瓦西半徑（Rs）以內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行細(xì)致成像[見(jiàn)圖1和圖5]。

我們發(fā)現(xiàn)噴流確實(shí)是在黑洞的事件視界附近產(chǎn)生的并且存在一個(gè)邊緣增亮的“spine/sheath”的三齒狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有可能是由于噴流中的速度分層造成的。通過(guò)測(cè)量噴流在不同位置處的寬度，我們發(fā)現(xiàn)M87噴流的寬度輪廓（即噴流寬度隨黑洞距離的變化）與Blandford–Znajek機(jī)制產(chǎn)生的噴流完全一致，即噴流是通過(guò)提取黑洞的自轉(zhuǎn)能產(chǎn)生。然而，在黑洞邊緣處（～20Rs內(nèi)），觀測(cè)到的噴流卻明顯要比這一機(jī)制預(yù)言的噴流寬。這可能是由于吸積流中“風(fēng)”的影響造成的。未來(lái)更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)將有望看到“風(fēng)”影響噴流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

圖7: 噴流寬度隨著離黑洞距離的變化

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

從“新”出發(fā)：拍攝黑洞“彩色”照片和電影

當(dāng)前，不論是前期EHT在1.3毫米拍攝的黑洞圖像還是此次拍攝的3.5毫米黑洞圖像都是通過(guò)單一顏色的“射電光”拍攝的靜態(tài)“黑白”照。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們將有望通過(guò)多頻的同時(shí)觀測(cè)給黑洞拍攝“彩色”照片，甚至“彩色”電影。這樣一來(lái)，我們就可以區(qū)分黑洞圖像中由引力所致的“無(wú)色”的“永恒”結(jié)構(gòu)和由天體物理過(guò)程所致的“有色”的“時(shí)變“結(jié)構(gòu)，從而更深入地探索黑洞周圍的時(shí)空，理解黑洞周圍相關(guān)的天體物理過(guò)程。

前后歷經(jīng)近五年時(shí)間，我們利用全球毫米波VLBI陣列并聯(lián)合ALMA和GLT望遠(yuǎn)鏡，在不同與EHT的觀測(cè)頻段對(duì)M87黑洞及其周圍的吸積流和噴流一同進(jìn)行了成像探測(cè)，給黑洞拍攝了一張“全景照”。整個(gè)工作的主要完成期間恰逢新冠疫情肆虐全球,但這并未阻隔團(tuán)隊(duì)成員間的密切溝通和協(xié)作。粗算下來(lái)，筆者組織了近百次電話會(huì)議討論和通過(guò)近千封郵件的溝通，才最終順利完成了這一工作。展望未來(lái)，通過(guò)對(duì)包括M87在內(nèi)的近鄰超大質(zhì)量黑洞在多頻率同時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，我們有望在不遠(yuǎn)的將來(lái)拍攝出黑洞的“彩色”電影。

參考文獻(xiàn)：

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[3] Curtis, H. D.“Descriptions of 762 Nebulae and Clusters Photographed with the Crossley Reflector”，1918, Publications of Lick Observatory, 13, 9.

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[6] Kim, J.-Y., Lu, R.-S., Krichbaum, T.P., et al., “Resolving the Base of the Relativistic Jet in M87 at 6Rsch Resolution with Global mm-VLBI”, 2016, Galaxies, 4, 39.

[7] Kim, J.-Y., Krichbaum, T. P., Lu, R.-S., et al., “The limb-brightened jet of M87 down to the 7 Schwarzschild radii scale”, 2018, A&A, 616, A188.

[8] Event Horizon Telescope Collaboration, Akiyama, K., Alberdi, A., et al., “First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole”, 2019, ApJL, 875, L4.

[9] Blandford, R. D. & Znajek, R. L.,“Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes”,1977, MNRAS, 179, 433.

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