天文學家首次對黑洞陰影和強大噴流一起成像

　　由中國科學院上海天文臺研究員路如森領導的一個國際研究團隊利用在毫米波段開展的新觀測，首次對著名的射電星系Messier 87的黑洞陰影以及其周圍顯示落入中央黑洞的物質的環狀結構和強大的相對論性噴流一同進行了成像。圖像首次表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯系。此次的觀測結果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）聯合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠鏡（GLT）獲得。這兩個觀測臺站的加入大大增強了GMVA的成像能力。相關成果發表在最新出版的國際學術期刊《自然》上。

　　“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖”，路如森說。黑洞周圍的物質被認為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是從來沒有人直接對它進行過成像。“我們之前看到的環狀結構在3.5毫米波長變得更大、更厚。這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質產生了額外的輻射。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程”，他補充說。

　　ALMA和GLT參與了此次GMVA的觀測，并由此提高了這個洲際望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度。這使得科學家首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環狀結構進行了成像。GMVA測得的環狀結構的直徑為64微角秒，相當于月球上的宇航員回望地球時看到的一個約13厘米（5英寸）的環形補光燈的大小。這個直徑比事件視界望遠鏡（EHT）此前在1.3毫米觀測中所看到的環狀結構要大50%，符合對該區域相對論等離子體輻射的預期。

　　“通過在GMVA觀測中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我們獲得了一個新的視角。我們確實看到了我們在早期VLBI觀測中了解到的三齒狀的噴流”，位于德國波恩的馬普射電天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum說。“但是，現在我們可以看到噴流是如何從中央超大質量黑洞周圍的環狀結構中出現的，而且我們現在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環狀結構的直徑。”

　　來自M87的射電輻射是由高能電子和磁場的相互作用產生的，這種現象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測結果揭示了有關這些電子的位置和能量的更多細節。它們還告訴科學家一些關于黑洞本身的性質：它不是“很餓”。它消耗物質的速度很低，只將其中一小部分轉化為輻射。中研院天文和天體物理研究所的Keiichi Asada解釋說：“為了了解這個更大、更厚的環的物理來源，我們不得不使用計算機模擬來測試不同的情況。最終我們得出結論，亮環的較大范圍與吸積流有關。”

　　日本國立天文臺的Kazuhiro Hada補充說：“我們還在數據中發現了一些令人驚訝的事情：在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度比我們預期的要寬。這可能意味著黑洞周圍不僅僅有氣體落入，也可能有一股‘風’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂。”

　　對M87的探索并沒有結束，因為進一步的觀測和強大的望遠鏡陣列將繼續揭開它的神秘面紗。韓國天文和空間科學研究所的Jongho Park說：“未來毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變并且將通過結合不同顏色的‘射電光’的圖像來獲得M87中心黑洞區域的多色視圖。”

　　“此次展現的3.5毫米波長圖像可以說是代表了當前的最新成就。但為了揭示M87中央超大質量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準直傳播的物理機制之謎，我們需要拍攝更多色的高質量圖像，包括在0.8毫米或更短的亞毫米波波長的黑洞照片，以及在長至7.0毫米波長的黑洞和噴流的全景圖像，未來非常令人期待”，上海天文臺臺長沈志強補充說。

　　此次3.5毫米成像觀測由全球毫米波VLBI陣列（GMVA）負責組織，參與觀測的16個望遠鏡分別為阿卡塔瑪大型毫米/亞毫米陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，簡稱ALMA），格陵蘭望遠鏡（Greenland telescope，簡稱GLT），IRAM 30米望遠鏡，Effelsberg 100米射電望遠鏡，Mets?hovi 14米射電望遠鏡，Onsala 20米射電望遠鏡，Yebes 40米射電望遠鏡，Green Bank 100米射電望遠鏡以及美國甚長基線干涉陣（VLBA）中可在3.5毫米觀測的8個25米射電望遠鏡（VLBA-BR，VLBA-FD，VLBA-KP，VLBA-LA，VLBA-MK，VLBA-NL，VLBA-OV，VLBA-PT）。

　　該研究由中科院上海天文臺路如森作為項目首席科學家，團隊由來自17個國家和地區、共64家研究單位的121位科研人員組成。

　　該突破性成果得到國家自然科學基金委、中科院、德國馬普學會等方面的大力支持。