黑洞全景照 圖源 網絡

近期，一個由中國科學院上海天文臺牽頭的國際團隊利用全球16個觀測臺站開展了對M87星系中心的聯合成像研究，并在全新的頻段給M87黑洞及其周圍的環境拍攝了“全景照”。這標志著天文學家朝著對黑洞進行“多彩成像”的目標邁出了重要一步。相關研究成果發表在國際學術期刊《自然》上。

科學家為什么要給黑洞拍照？黑洞的照片又是如何拍出來的？讓我們一起來探秘這張黑洞“全景照”的拍攝過程。

(資料圖)

“全景照”或有助破解黑洞謎團

對于黑洞的研究可以讓我們深入了解空間和時間的本質，對近鄰超大質量黑洞進行成像研究是當前天文研究的國際前沿熱點。

此前，天文學家已經通過事件視界望遠鏡（EHT）分別于2019年和2022年對位于M87星系中心和人類所居的銀河系中心的兩個超大質量黑洞進行了成像。

M87黑洞重約65億倍太陽質量，是目前宇宙中已知質量最大的黑洞之一，而且距離地球僅有5500萬光年，是非常適合拍照研究的對象。此外，M87星系有著明亮的、長達5000光年的噴流，M87黑洞正是該噴流的源頭。

1918年，美國天文學家希伯·柯蒂斯首次觀測到M87星系的噴流，這也是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流。科學家認為，黑洞不僅在“吃”（吸積物質），同時也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質速度快、方向性好，自然就形成了人類所能觀測到的噴流。但是，科學家至今也沒能非常明確地解釋黑洞與噴流的關系，因此就需要通過觀測來解開這個謎團。

2017年，EHT合作組織成功拍攝到了M87黑洞的照片。這張照片也是人類歷史上的首張黑洞照片。照片顯示M87黑洞長得像個“甜甜圈”，外面一圈亮環，圍繞著中間的陰影。由于EHT的視場比較小，只能拍攝到黑洞的“特寫照”，因此離黑洞稍遠一些的噴流便沒能進入這張照片。

如果能把黑洞和周圍的環境都拍在同一張照片里，就可以幫助我們理解黑洞附近的環境，觀察黑洞周圍的物質是如何繞轉、掉進黑洞或被噴出的，進而研究黑洞和噴流的關系。

為了解決照片中黑洞與周圍環境“失聯”的問題，中國科學院上海天文臺研究員路如森領導的、17個國家和地區的64家研究機構的121位科研人員參與的國際研究團隊，決定給黑洞拍攝一張“全景照”。

三大望遠鏡在3.5毫米波段下聯合“拍攝”

相較于EHT所拍的“特寫照”，要拍黑洞的“全景照”必須要加大視場，并且分辨率也不能太低。研究團隊想到了兩種方案，在1.3毫米波段上嘗試拍攝包括噴流在內的黑洞照片，或者索性切換到3.5毫米波段拍攝，但此前科學家普遍認為，用地球上的望遠鏡在3.5毫米波段觀測不會看到黑洞“甜甜圈”。“當焦距拉長，視場就會變小，所以在1.3毫米波段，噴流等黑洞周圍環境很難同時被觀測到。”路如森說。研究團隊最終選擇了在3.5毫米波段下給黑洞拍照，因為在3.5毫米波段下噴流顯示更亮。

由于降低了觀測波段，更多望遠鏡加入了此次黑洞“全景照”的拍攝過程。新照片拍攝于2018年4月14日至15日，由14臺望遠鏡組成的全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）、阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠鏡（GLT）連在一起，組成了一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。

路如森強調，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和格陵蘭望遠鏡的加入提高了這個洲際望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度，使得在3.5毫米波長下對M87黑洞周圍的環狀結構進行成像成為可能。

由于這是一張視場很大的圖像，里面包含了許多成分，且這些成分的亮度差異很大，“洗照片”時科學家遇到了許多意外。陣列中的格陵蘭望遠鏡還是一臺新的望遠鏡，參與觀測時還在調試階段，其基于波導的相位旋轉器被錯誤地配置，幸好科學家及時發現了這一問題，在數據處理時開發了特別的算法解決了這個問題。

通過匯聚全球各地的許多合作者的經驗，在經歷了長達5年的復雜數據處理和成圖過程，以及反復驗證和確認結果后，這張史無前例的黑洞“全景照”終于呈現在世人面前。

研究團隊成功將M87黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現在同一張照片之中。M87黑洞在3.5毫米波段的圖像中也呈現“甜甜圈”形態，比此前EHT合作組織觀測到的“甜甜圈”大了近50%，并且照片中可以看到從“甜甜圈”向遠處延展的“尾巴”，這就是黑洞的噴流。

下一步，科學家還打算拍攝“彩色黑洞”甚至“黑洞電影”來進一步觀測和研究黑洞。

（來源：中新網）

統籌：金宸曄 編輯：劉芳宇