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盧力媛 科技日?qǐng)?bào)記者 王春

近期，由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，利用全球16個(gè)觀測(cè)臺(tái)站，開展了對(duì)M87星系中心的聯(lián)合成像研究，在全新的頻段給M87黑洞及其周圍的環(huán)境拍攝了“全景照”。這一新進(jìn)展標(biāo)志著天文學(xué)家朝著對(duì)黑洞進(jìn)行“多彩成像”邁出了重要一步。相關(guān)研究成果于4月26日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)表。

科學(xué)家們?yōu)槭裁匆o黑洞拍照？又是如何拍出來？讓我們一起來探秘這張黑洞全景照的拍攝過程。

M87在3.5毫米波長(zhǎng)所觀測(cè)到的圖像。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)供圖

為解黑洞百年謎團(tuán)，科學(xué)家決定給它拍張全景照

研究黑洞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)量黑洞成像研究是當(dāng)前天文研究的國(guó)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）國(guó)際合作，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黑洞重量約是65億倍的太陽質(zhì)量，是目前宇宙中所知質(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(zhǎng)達(dá)5000光年的噴流，M87黑洞正是噴流的源頭。

M87黑洞的噴流與吸積盤的示意圖。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)供圖

1918年，美國(guó)天文學(xué)家希伯·柯蒂斯首次觀測(cè)到M87的噴流，也是人類歷史上第一次觀測(cè)到天體中的噴流。理論學(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，自然就形成了所觀測(cè)到的噴流。但是，理論學(xué)家至今也沒能夠非常明確地解釋好黑洞與噴流的關(guān)系，只有通過觀測(cè)工作來解開這個(gè)謎團(tuán)。

2017年，EHT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(zhǎng)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(chǎng)比較小，只能拍攝到黑洞的“特寫”照片，離黑洞稍遠(yuǎn)一些的噴流沒能進(jìn)入鏡頭。

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。

為了解決黑洞與周圍環(huán)境“失聯(lián)”的問題，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)路如森研究員領(lǐng)銜一個(gè)由來自17個(gè)國(guó)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(guó)際研究團(tuán)隊(duì)決定給黑洞拍攝一張全景照。

顛覆性探索，突破拍攝瓶頸

相較于EHT拍的特寫照，要拍全景照必須要加大視場(chǎng)，并且分辨率也不能太低。研究團(tuán)隊(duì)想到兩種方案，要么在1.3毫米波段上嘗試拍攝噴流在內(nèi)的黑洞照片，要么索性切換到3.5毫米波段拍攝?！爱?dāng)焦距拉長(zhǎng)，視場(chǎng)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(cè)到?！甭啡缟忉?，研究團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們最終選擇了在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、望遠(yuǎn)鏡的陣列也能更大。

這可謂是一次顛覆性的探索，因?yàn)榇饲叭藗兤毡檎J(rèn)為，用地球上的望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米觀測(cè)波長(zhǎng)上不會(huì)看到“甜甜圈”，但路如森堅(jiān)信3.5毫米可以拍到“甜甜圈”。他這一大膽的嘗試使得中國(guó)天文學(xué)家有機(jī)會(huì)領(lǐng)銜了此次最新的觀測(cè)與發(fā)現(xiàn)。

由于降低了觀測(cè)波段，更多望遠(yuǎn)鏡加入了此次黑洞“全景”的拍攝。新照片攝于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(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）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。

本次拍攝將16臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡連起來，組成一臺(tái)口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)供圖

路如森強(qiáng)調(diào)，ALMA和GLT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(zhǎng)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(chǎng)很大的圖像，里面包含許多成分，且這些成分的亮度差異很大，洗照片時(shí)科學(xué)家們遇到了許多意外。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(cè)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)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。此外，還遇到了“生數(shù)據(jù)”處理成“熟數(shù)據(jù)”來回返工，“熟數(shù)據(jù)”重建觀測(cè)圖像難等問題。

通過匯聚遍布全球各地的許多合作者的經(jīng)驗(yàn)，在長(zhǎng)達(dá)五年的復(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，這張史無前例的新圖像終于呈現(xiàn)在世人面前。M87黑洞在3.5毫米的圖像也呈現(xiàn)“甜甜圈”形態(tài)，比此前EHT觀測(cè)到的“甜甜圈”大了近50%。

下一步，科學(xué)家們還打算拍攝“彩色黑洞”甚至“黑洞電影”來進(jìn)一步觀測(cè)和研究黑洞。據(jù)悉，上海天文臺(tái)已于2021年提出，建設(shè)綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的15米口徑亞毫米波天文研究望遠(yuǎn)鏡，目前已啟動(dòng)5米口徑的原型機(jī)研制，并在西藏地區(qū)開展了初步選址工作。針對(duì)黑洞多彩成像，上海天文臺(tái)還啟動(dòng)了天馬望遠(yuǎn)鏡三頻觀測(cè)模式的研制。