全球首張黑洞“全景照”拍攝過程揭秘

王春

近期，一個(gè)由中國科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭的國際團(tuán)隊(duì)利用全球16個(gè)觀測臺(tái)站開展了對(duì)M87星系中心的聯(lián)合成像研究，并在全新的頻段給M87黑洞及其周圍的環(huán)境拍攝了“全景照”。這標(biāo)志著天文學(xué)家朝著對(duì)黑洞進(jìn)行“多彩成像”的目標(biāo)邁出了重要一步。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

科學(xué)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。

“全景照”或有助破解黑洞謎團(tuán)

對(duì)于黑洞的研究可以讓我們深入了解空間和時(shí)間的本質(zhì)，對(duì)近鄰超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行成像研究是當(dāng)前天文研究的國際前沿?zé)狳c(diǎn)。

此前，天文學(xué)家已經(jīng)通過事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）分別于2019年和2022年對(duì)位于M87星系中心和人類所居的銀河系中心的兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了成像。

M87黑洞重約65億倍太陽質(zhì)量，是目前宇宙中已知質(zhì)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(duì)象。此外，M87星系有著明亮的、長達(dá)5000光年的噴流，M87黑洞正是該噴流的源頭。

1918年，美國天文學(xué)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(xué)家認(rèn)為，黑洞不僅在“吃”（吸積物質(zhì)），同時(shí)也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質(zhì)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(xué)家至今也沒能非常明確地解釋黑洞與噴流的關(guān)系，因此就需要通過觀測來解開這個(gè)謎團(tuán)。

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(gè)“甜甜圈”，外面一圈亮環(huán)，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(yuǎn)一些的噴流便沒能進(jìn)入這張照片。

如果能把黑洞和周圍的環(huán)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(huán)境，觀察黑洞周圍的物質(zhì)是如何繞轉(zhuǎn)、掉進(jìn)黑洞或被噴出的，進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系。

為了解決照片中黑洞與周圍環(huán)境“失聯(lián)”的問題，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的、17個(gè)國家和地區(qū)的64家研究機(jī)構(gòu)的121位科研人員參與的國際研究團(tuán)隊(duì)，決定給黑洞拍攝一張“全景照”。

? 三大望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米波段下聯(lián)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(tuán)隊(duì)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(nèi)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(xué)家普遍認(rèn)為，用地球上的望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米波段觀測不會(huì)看到黑洞“甜甜圈”。“當(dāng)焦距拉長，視場就會(huì)變小，所以在1.3毫米波段，噴流等黑洞周圍環(huán)境很難同時(shí)被觀測到?！甭啡缟f。研究團(tuán)隊(duì)最終選擇了在3.5毫米波段下給黑洞拍照，因?yàn)樵?.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(yuǎn)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(tái)望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡（GLT）連在一起，組成了一臺(tái)口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。

路如森強(qiáng)調(diào)，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡的加入提高了這個(gè)洲際望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度，使得在3.5毫米波長下對(duì)M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)科學(xué)家遇到了許多意外。陣列中的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡還是一臺(tái)新的望遠(yuǎn)鏡，參與觀測時(shí)還在調(diào)試階段，其基于波導(dǎo)的相位旋轉(zhuǎn)器被錯(cuò)誤地配置，幸好科學(xué)家及時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一問題，在數(shù)據(jù)處理時(shí)開發(fā)了特別的算法解決了這個(gè)問題。

通過匯聚全球各地的許多合作者的經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)歷了長達(dá)5年的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和成圖過程，以及反復(fù)驗(yàn)證和確認(rèn)結(jié)果后，這張史無前例的黑洞“全景照”終于呈現(xiàn)在世人面前。

研究團(tuán)隊(duì)成功將M87黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現(xiàn)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(xiàn)“甜甜圈”形態(tài)，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(yuǎn)處延展的“尾巴”，這就是黑洞的噴流。

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