新圖像證實：附近星系存在巨大黑洞

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一個熟悉的陰影隱約出現在附近星系M87中心的新圖像中。它證實了該星系擁有一個引力天坑，其強度之大以至于光線無法逃脫，這是由一個質量為太陽65億倍的黑洞產生的。但是，與之前事件視界望遠鏡(EHT)拍攝的圖像相比，新圖像揭示了陰影周圍明亮環的微妙變化，這可能為黑洞周圍的氣體是如何攪動的提供線索。

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2018年觀測到的M87星系附近黑洞的新圖像(右)發現了一個熟悉的陰影。圖片來源：EHT COLLABORATION

研究團隊成員、阿姆斯特丹大學Sera Markoff指出，新的細節激發了天文學家對EHT擴展的渴望，這將提供更清晰的遙遠黑洞圖像。

近日發表在《天文學與天體物理學》上的這張新照片，來自于觀測活動一年后收集的數據，該觀測活動于2019年公布了第一張黑洞照片。圖像的暗中心與原始圖像的大小相同，這證實了圖像描繪了物理現實，而不是人工制品。未參與該研究的赫特福德大學天體物理學家Martin Hardcastle說，黑洞的質量在一年內不會有明顯的增長，因此這個比較也支持了黑洞的大小僅由其質量決定的觀點。

然而，在新圖像中，圍繞黑洞的環的最亮部分逆時針移動了約30°。這可能是由于圍繞黑洞赤道旋轉的物質盤隨機攪動。這也可能與從黑洞極點發射的一個噴流的波動有關——這表明噴流沒有與黑洞的自轉軸對齊，而是像一個擺動的陀螺一樣繞著黑洞前進。Markoff指出，唯一弄明白的方法就是不停地拍照。

盡管質量驚人，但像M87這樣的黑洞其實是相對較小的，一個黑洞可以容納整個太陽系。為了觀測，EHT依賴于能夠穿透黑洞周圍氣體和塵埃的無線電發射，通過將望遠鏡的數據結合在一起，產生足夠清晰的圖像，望遠鏡之間的距離盡可能大，構成了一個地球大小的天線。目前為止，EHT團隊（大約300名研究人員，分布在世界各地）每年都要進行幾周的觀測，從南極到格陵蘭島，從夏威夷到法國，共使用多達12個天文臺。

研究團隊希望增加更多的望遠鏡，進一步提高圖像的清晰度，使其能夠看到更遙遠星系中的黑洞。上個月，研究團隊向美國國家科學基金會提交了下一代EHT (ngEHT)提案。該提案要求在懷俄明州、加那利群島、智利和墨西哥四個地方建造9米的無線電天線，并在麻省理工學院的干草堆天文臺增加一個37米的天線，這將完美填補現有空白。

ngEHT項目還將部署新的硬件和軟件來加快數據處理速度。EHT創始主任、哈佛-史密松森天體物理中心Shep Doeleman說，這個團隊可以在幾天而不是幾年的時間內得出結果。在空間和時間上提高分辨率將有助于研究人員解開天體物理學中最持久的謎團之一：黑洞的自旋、磁場和旋轉的物質盤是如何共同將強大的粒子噴流發射到遙遠太空中的。

理論學家還預測，在EHT圖像中模糊的明亮環內，是由被困在盡可能接近黑洞邊界或事件視界的軌道上的光子發出的更清晰的光圈。要放大這些所謂的光子環，需要一個遠在地球之外的虛擬無線電天線。

哈佛-史密松森天體物理中心Michael Johnson表示:“我們正在接近地面所能做到的極限。”他正在領導一項名為黑洞探索者的任務提案，他的目標是在2025年提交給美國宇航局。

預計在10年內發射到地球同步軌道的航天器，帶有的4米天線將把ngEHT的基線擴大到大約35000公里，足以看到光子環。“只用一顆衛星，我們就能找出這些軌道，”Markoff夫說。

理論預測有多個嵌套的光子環，而最內層光子環的大小和形狀將有助于確定黑洞的質量、旋轉，甚至是旋轉盤的傾角。通過對具有不同生命歷史的多個黑洞進行成像，研究人員可以進一步研究它們的自旋是如何受到合并或周圍物質突然聚集的影響。

Doeleman說，在最極端的條件下，ngEHT及其軌道外支架也應該能夠測試愛因斯坦的引力理論，即廣義相對論。這將使我們在未來許多年里盡可能接近黑洞事件視界的邊緣。

相關論文信息：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347932