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盧力媛 科技日報記者 王春

近期，由中國科學(xué)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(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”。這一新進展標(biāo)志著天文學(xué)家朝著對黑洞進行“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毫米波長所觀測到的圖像。中國科學(xué)院上海天文臺供圖

為解黑洞百年謎團，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間的本質(zhì)，對近鄰超大質(zhì)量黑洞成像研究是當(dāng)前天文研究的國際前沿?zé)狳c。

此前，天文學(xué)家已經(jīng)通過事件視界望遠鏡（EHT）國際合作，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(zhì)量黑洞進行了成像。

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象。此外，M87星系有著明亮的長達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。中國科學(xué)院上海天文臺供圖

1918年，美國天文學(xué)家希伯·柯蒂斯首次觀測到M87的噴流，也是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流。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，只有通過觀測工作來解開這個謎團。

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黑洞長得像個“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”照片，離黑洞稍遠一些的噴流沒能進入鏡頭。

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)、掉進黑洞或被噴出的，進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，中國科學(xué)院上海天文臺路如森研究員領(lǐng)銜一個由來自17個國家和地區(qū)的64家研究機構(gòu)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。

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，并且分辨率也不能太低。研究團隊想到兩種方案，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，視場就會變小，所以，在1.3毫米波段，噴流等黑洞周圍環(huán)境很難同時被觀測到。”路如森解釋，研究團隊的科學(xué)家們最終選擇了在3.5毫米波段下給黑洞拍照，因為在3.5毫米波段下噴流顯示更亮、望遠鏡的陣列也能更大。

這可謂是一次顛覆性的探索，因為此前人們普遍認(rèn)為，用地球上的望遠鏡在3.5毫米觀測波長上不會看到“甜甜圈”，但路如森堅信3.5毫米可以拍到“甜甜圈”。他這一大膽的嘗試使得中國天文學(xué)家有機會領(lǐng)銜了此次最新的觀測與發(fā)現(xiàn)。

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

本次拍攝將16臺射電望遠鏡連起來，組成一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。中國科學(xué)院上海天文臺供圖

路如森強調(diào)，ALMA和GLT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(huán)狀結(jié)構(gòu)進行成像成為可能。

由于這是一張視場很大的圖像，里面包含許多成分，且這些成分的亮度差異很大，洗照片時科學(xué)家們遇到了許多意外。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(diào)試階段，其基于波導(dǎo)的相位旋轉(zhuǎn)器被錯誤地配置，幸好科學(xué)家及時發(fā)現(xiàn)這一問題，在數(shù)據(jù)處理時開發(fā)了特別的算法解決了這個問題。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，在長達五年的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和成圖過程，以及反復(fù)驗證和確認(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”來進一步觀測和研究黑洞。據(jù)悉，上海天文臺已于2021年提出，建設(shè)綜合性能達到國際先進水平的15米口徑亞毫米波天文研究望遠鏡，目前已啟動5米口徑的原型機研制，并在西藏地區(qū)開展了初步選址工作。針對黑洞多彩成像，上海天文臺還啟動了天馬望遠鏡三頻觀測模式的研制。