·“尾巴”代表了黑洞附近被“吐出”的氣體，這個“尾巴”就是噴流。在非常靠近黑洞處等著落入黑洞的物質，也可能因為某些原因被噴出來，這些向外噴的物質聚集在一起，形成噴流。“尾巴”中距離黑洞稍遠地方的氣體可以認為是已經初步形成的噴流，它們不斷被加速至接近光速，向外運動。M87星系有著長達5000光年的明亮噴流，而M87*黑洞正是噴流的源頭。
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在毫米波段開展黑洞新觀測，實現了黑洞陰影和強大噴流的首次“合影”，相關成果4月26日發表在國際頂級學術期刊《自然》雜志上。
研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質量黑洞（M87*）周圍的環狀結構進行成像，觀測到這一黑洞在3.5毫米的圖像也呈現“甜甜圈”形態，比此前“事件視界望遠鏡”在1.3毫米觀測到的“甜甜圈”大了近50%，并且看到從“甜甜圈”向遠處延展的“尾巴”，它是黑洞的噴流。
什么是黑洞？什么是噴流？黑洞與噴流有什么關系？如果掉進黑洞會發生什么？為什么要給M87*黑洞拍照？新照片與人類首張黑洞照片相比有哪些區別？為什么人類首張黑洞照片沒有拍到“尾巴”？未來還有哪些黑洞“攝影”計劃？中國科學院上海天文臺的趙杉杉博士、路如森研究員、黃磊副研究員和彭思佳博士對相關32個問題做了以下回答。
從黑洞的“特寫”到黑洞的“全景”
1.M87*是如何被觀測到的？
1781年，法國天文學家夏爾·梅西耶發表了著名的梅西耶星表，里面包含103個星云狀的天體，并以字母M加數字為這些天體命名。M87就是其中之一，其含義為梅西耶星表中的第87個天體。
1918年，美國天文學家希伯·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。他看到“一束奇怪的直射線，從一片朦朧的光斑中心發出”。后來，隨著對宇宙認知的拓展，人們逐漸意識到M87并不是星云，而是一個星系。
1947年，人們觀測到M87位置處的射電源，命名為室女座A。隨后證實室女座A的射電信號就來自于M87。于是，M87成為知名的射電星系，吸引了無數射電望遠鏡的目光。
M87星系中心超大質量黑洞（M87*）的圖像，上方為2017年4月11日的圖像，下方三個圖為M87*在2017年4月5日、6日和10日的圖像。
2017年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope， EHT），一臺口徑等效于地球直徑的射電望遠鏡，成功拍攝到了M87星系中心超大質量黑洞（M87*）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*長得像個“甜甜圈”，外面一圈亮環，圍繞著中間的陰影。
2.M87*離我們多遠？
M87*位于梅西耶87星系——室女座星系團中央巨橢圓星系的中心，距離地球約5500萬光年。
3.M87*有多重？
約65億倍太陽質量。
4.M87*有多大？
根據M87*的質量，可以估算出它的黑洞事件視界直徑約為400億公里（作為對比，冥王星與太陽的距離是58億公里）。EHT看到的光環是它的2.5倍大，而本次觀測到的環比EHT看到的環還要大50%，這說明M87*有多大取決于用什么頻率的望遠鏡觀測。
5.M87*的（平均）密度有多大？
黑洞密度的概念很難定義，因為我們無法知道黑洞的大小。用視界半徑來衡量黑洞的大小顯然不妥，視界只是光無法逃逸的臨界點，并不是黑洞的邊界。當然，我們也可以暫且用視界大小來估算M87*的密度，這個密度出人意料的小，與地球上的空氣密度相當。而另一個我們熟悉的黑洞：銀心黑洞，雖然質量只有400萬個太陽質量，密度卻相當地大，約為水密度的一萬倍，同時是太陽核心密度的60倍。我們知道黑洞視界的直徑與質量成正比，體積則是直徑的立方，按照密度等于質量除以體積的定義，就會發現黑洞的密度與質量的平方成反比。也就是說，黑洞質量越大，密度反而越小。
6。此次觀測看到了什么？
此次觀測首次將M87黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現在同一張照片之中。
觀測到M87黑洞在3.5毫米的圖像也呈現“甜甜圈”形態，比此前EHT在1.3毫米觀測到的“甜甜圈”大了近50%。并且看到從“甜甜圈”向遠處延展的“尾巴”，它是黑洞的噴流。
左為2019年4月10日公布的人類歷史首張黑洞照片，右為2023年4月26日公布的同一個黑洞的照片，環狀結構在3.5毫米波長下變得更大、更厚。
7。此次觀測是否顛覆了此前的認知？
此前人們認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”，但此次觀測確實看到了一個比此前認為得要更大的“甜甜圈”，它來自于黑洞周圍的吸積流。
8。此次觀測能否揭示M87*是如何形成的？
目前我們認為恒星質量級的黑洞是由大質量恒星演化晚期坍縮形成，但星系中央的超大質量黑洞是如何形成的，仍是未解之謎。
M87*已演化到了穩定階段，科學家們利用EHT觀測及其它的多波段觀測數據得到的諸多限制來研究黑洞及其周圍環境的現狀，但尚無法回答黑洞形成階段的問題。
9。本次拍攝的照片與EHT拍攝的照片有何不同之處？
EHT拍攝的照片是黑洞的“特寫”，看到亮環圍繞著中間的陰影。此次我們拍攝到黑洞的“全景”，在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流，以及從盤附近延伸向遠處的噴流。這張照片作為EHT照片的拓展，充分展現了黑洞和它周圍環境的關系。
10。為什么兩個不同頻率的觀測都能看到相似的環結構？
在不同頻率觀測到的電磁輻射，都來自于黑洞附近的物質。一方面這些物質可能本身就是環形，比如一個繞著黑洞高速旋轉的盤，或者中間暗邊緣亮的噴流。另一方面，黑洞附近彎曲的時空會使光線彎曲甚至繞轉黑洞數圈才逃逸出來（引力透鏡效應），這也會形成亮環。觀測到的環可能是許多因素疊加在一起的結果，但這些因素所占的比重在不同頻率觀測中并不相同。經采取不同的模型進行解釋，本次觀測到的環更可能是黑洞吸積流所發出的光形成的。
11。為什么本次拍攝到的噴流在EHT拍攝的照片中沒有看到？
一方面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。而本次拍攝用的望遠鏡比EHT的視場大很多，既能看到黑洞周圍的發光物質，也能看到噴流。另一方面，噴流的亮度隨著觀測波長變化。噴流在本次觀測采取的3.5毫米觀測波長上比較明亮，而在EHT采取的1.3毫米觀測波長上稍微暗一些。這也可能是EHT沒有拍到噴流的原因。
12.M87*與銀心黑洞（Sgr A*）相比有何不同之處？
M87*是目前宇宙中所知質量最大的黑洞之一，大約65億倍太陽質量。它位于梅西耶87星系——室女座星系團中央巨橢圓星系的中心，距離地球約5500萬光年。M87星系的中心黑洞驅動能量巨大的噴流，速度接近光速，延展至星系以外很遠處。
相比之下，Sgr A*顯得普通許多。它位于我們所居住的旋渦星系（銀河系）中心，距地球只有2萬7千光年。Sgr A*沒有明顯的噴流，比M87*質量小得多，只有約400萬倍太陽質量。
13。能不能拍到Sgr A*的噴流？
自1974年探測到Sgr A*以來，人們沒有看到清晰可見的噴流。如果有的話，它必然比M87*的噴流暗弱得多。這一問題將留給未來更好的觀測解答。
此外，拍攝Sgr A*的噴流還需要克服銀河系星際介質散射的影響。散射效應會使圖像便模糊，且觀測波長越長，這一模糊效應越強。若用本次觀測使用的3.5毫米波長來拍攝Sgr A*，強烈的散射效應會破壞掉它本身的結構，從而看到模模糊糊的一團。
從8臺望遠鏡到16臺望遠鏡
14。本次拍攝用到了哪些望遠鏡？
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。分別為全球毫米波陣（Global mm-VLBI Array，GMVA）的14臺望遠鏡，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA），以及位于格陵蘭島的格陵蘭望遠鏡（Greenland Telescope，GLT）。
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。
其中，GMVA的14臺望遠鏡包含美國的甚長基線陣（Very Long Baseline Array，VLBA）中的8臺望遠鏡和美國的綠岸射電望遠鏡（Green Bank Telescope，GBT），德國的埃菲爾斯伯格望遠鏡（Effelsberg Radio Telescope），瑞典的翁薩拉天文臺（Onsala Space Observatory），西班牙的維可皮塔（Pico Veleta）IRAM 30米射電望遠鏡和Yebes 40米射電望遠鏡，芬蘭的Mets?hovi望遠鏡。
15。為什么要給M87*拍照？
M87*距離地球僅有5500萬光年，而質量又非常可觀（65億倍太陽質量），這使得它在天空平面上看起來非常大，是非常適合拍照研究的對象。M87星系有著明亮的長達5000光年的噴流，而M87*正是噴流的源頭。因此，給M87*拍照可以幫助我們理解黑洞附近的環境，觀察黑洞周圍的物質是如何繞轉、掉進黑洞或被噴出的，進而研究黑洞和噴流的關系。
16。拍攝用到的關鍵技術是什么？
拍攝用到的關鍵技術是甚長基線干涉測量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技術。利用該技術，可以將分布全球各地的望遠鏡組成圍繞地球的干涉陣列來收集來自宇宙的信號。EHT拍攝黑洞照片所用到的關鍵技術也是VLBI。
干涉測量是一種觀察電磁輻射干涉效應的技術，這種干涉是由一個光源的光線與其本身相干所產生的。因為同一個電磁輻射到達每個望遠鏡的時間不一樣，所以不同望遠鏡接收到的信號可以關聯在一起，做干涉測量。與單個望遠鏡的直接拍照不同，干涉測量的圖像需要匯集多臺望遠鏡的數據進行相關處理，然后從處理好的數據中重建出天體的圖像。
VLBI是一種相距極遠的望遠鏡之間進行干涉測量的方法。每兩個望遠鏡組成一條基線，它們之間的距離是基線長度。基線長度越長，觀測的分辨本領越好。因此，VLBI技術將遍布全球的望遠鏡組合起來，可以組成分辨率遠超單個望遠鏡的超級望遠鏡。當將VLBI技術用于給天體拍照時，望遠鏡的數目和分布很有講究。總體而言，越多的望遠鏡參與，望遠鏡在地球上分布得越均勻，拍攝的效果越好。本次觀測依靠VLBI技術將16臺望遠鏡組合起來，望遠鏡從數量和分布上比此前的觀測有很大提高，因此才能成功拍攝到這張前所未有的清晰圖像。
17。這一合作項目有多國際化？
這一由中國學者領銜的國際合作項目，成員來自17個國家和地區、64家研究單位，共計121位。
18。這張新照片是在何時拍攝的？過程中有哪些趣事？
這張新照片是在2018年4月14日至15日拍攝的。
由于爭取到“巨無霸”級的望遠鏡ALMA加入觀測陣列，所有人都對拍攝結果抱有很高期待。在初步處理數據后，我們就在數據中注意到了前所未有的新特征，這給團隊成員很大激勵。經復雜的數據處理和成圖過程，及反復驗證和確認結果，最終在五年后呈現出這張史無前例的新圖像。
19。這張新照片的沖洗過程克服了哪些困難？
首先，在拍攝中遇到了很多意外情況。比如，陣列中的格陵蘭望遠鏡是一臺新的望遠鏡，它參與觀測時還在調試階段。在觀測過程中，其基于波導的相位旋轉器被錯誤地配置。我們事后發現這一問題，在數據處理時開發了特別的算法解決了這個問題。
其次，在將“生數據”處理成“熟數據”過程中，我們前后做了四次VLBI分析中的“互相關處理”（cross-correlation）以及相應的“相關后處理”（post-correlation processing）分析。我們克服來回來去返工的煎熬，得到了最可靠的“熟數據”。
最后，從“熟數據”重建觀測圖像也遇到了前所未有的挑戰。困難源于這是一張視場很大的圖像，圖像里面包含著許多成分，且這些成分的亮度差異很大。通過匯聚遍布全球各地的許多合作者的經驗，經過各種嘗試和反復驗證，我們最終克服了這些困難。
20。在觀測設備上，本次使用的觀測與EHT相比有哪些不同？
本次觀測與EHT相比有兩個不同點。第一，本次觀測的觀測波長是3.5毫米，而EHT的觀測波長是1.3毫米；第二，本次觀測聯合了16臺望遠鏡，而EHT的觀測聯合了8臺望遠鏡。
21。下一步的目標是什么？
下一步的目標是與EHT一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀測波長上給黑洞拍照。我們將拍攝更清晰的3.5毫米照片，結合未來EHT拍攝的更清晰的1.3毫米照片，未來下一代EHT拍攝的0.8毫米照片，以及在更遙遠的未來空間VLBI拍攝的更短波長的照片，我們可以得到黑洞的“彩色照片”。由于不同波長的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過程，相比于“單色黑洞”，“彩色黑洞”將帶給我們更多信息，幫助我們更好地理解黑洞本身，以及它和周圍環境的關系。
另一個目標是拍攝“動態黑洞”。黑洞并不是靜止的，它每時每刻都在和周圍環境相互作用，因此不同時刻看它，它是不一樣的。拍攝“動態黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓我們能夠全方位的觀測和理解黑洞。對于M87*，由于它變化緩慢，需要長時間的監測來拍攝它的變化。EHT在過去幾年進行了多次的連續成像觀測，未來五年也有持續的觀測計劃。這些觀測數據將呈現M87*在10年時間跨度上的電影。針對快速變化的銀心黑洞，目前EHT的望遠鏡分布不足以實現“快拍模式”的動態攝影，“丟幀”嚴重。但隨著未來幾年更多望遠鏡的加入，將能達到所需時間分辨率，拍到“黑洞電影”！
黑洞不僅在“吃”也在“吐”，還會“暴飲暴食”
22。什么是黑洞？
引力極強的時空區域，任何東西，甚至光（電磁波），都無法逃逸。因為光無法逃逸，我們稱之為“黑”，因為物質無法逃逸，我們稱之為“洞”。
黑洞沒有表面，一般用事件視界面作為邊界，區分黑洞內部和外部。它標識出“無返回區”，即一切穿過事件視界的東西永遠不可能逃逸。
23。什么是噴流？
噴流是一種天文現象，人們將具有定向、狹長、高速的電離物質外流稱為噴流。噴流看上去像一條火焰柱。噴流廣泛存在于宇宙中的許多天體中，如形成中的恒星、爆發中的激變變星，吸積中的黑洞等。當噴流中物質速度接近光速時，該噴流被稱之為相對論性噴流。大部分相對論性噴流與星系中心的超大質量黑洞有關。
24。黑洞與噴流有什么關系？
理論學家認為，黑洞不僅在“吃”（吸積物質），同時也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質速度快、方向性好，自然就形成了所觀測到的噴流。但需要說明的是，理論學家至今也沒能非常明確地解釋好黑洞與噴流的關系，觀測工作也是在一步步地試圖解開這個謎團。
25。黑洞是如何誕生的？
黑洞形成最簡單的方式是在年老的、大質量恒星塌縮過程中形成，期間伴隨超新星爆發。如果恒星的質量足夠大，至少有幾十倍太陽質量，恒星的殘余部分就會坍縮成一個黑洞。恒星級黑洞形成的其它理論還包括，在宇宙大爆炸后不久由物質直接塌縮形成。黑洞有兩種增長方式，以便成更大質量的黑洞：通過吸積和“暴飲暴食”，以及通過與其它黑洞合并。
26。為什么我們看到亮環圍繞著陰影？
黑洞本身不發光。但黑洞周圍繞轉著熱氣體，這些氣體在不斷地發出輻射，形成亮環。我們看到的亮環圍繞著陰影，實際上是黑洞和它周圍的發光氣體組合在一起形成的圖像。
27。為什么我們看到亮環長著“尾巴”？
“尾巴”代表了黑洞附近被“吐出”的氣體，我們稱呼這個“尾巴”為噴流。在非常靠近黑洞處等著落入黑洞的物質，也可能因為某些原因被噴出來。這些向外噴的物質聚集在一起，形成噴流。理論上認為該噴流的形成與其黑洞活動密切相關，我們看到亮環帶有“尾巴”符合這一認知。“尾巴”中距離黑洞稍遠地方的氣體，可以認為是已經初步形成的噴流，它們不斷被加速至接近光速，向外運動，一直與1000光年外的噴流相連。
研究人員首次在3.5毫米波長對M87星系中心超大質量黑洞（M87*）周圍的環狀結構進行成像。在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流、從吸積盤附近延伸向遠處的噴流。
黑洞的影響范圍與黑洞的質量成正比：質量越大，影響的范圍越大，對時空的扭曲程度越厲害。星系中心的超大質量黑洞離我們非常遙遠，不會對地球造成影響。目前，也沒有證據表明地球附近存在小質量黑洞。因此不用擔心黑洞會對地球造成影響。但是，研究黑洞可以讓我們深入了解空間和時間的本質。
28。最靠近地球的黑洞在哪里？
最靠近地球的黑洞是距離我們3000光年的麒麟座V616，它的質量是太陽質量的11倍，圍繞一顆K型星（0.5倍太陽質量）運行，軌道周期將近8小時。
29。是否所有星系的中央都有黑洞？宇宙的中心是否也有一個巨大的黑洞？
通常認為大多數星系中心是存在一個超大質量黑洞，但目前我們所認知的宇宙是各向同性的，也就是說宇宙沒有中心。
30。黑洞會“消失”嗎？
由于所謂的霍金輻射，經過一段時間后所有物質都會蒸發。對于迷你黑洞來說，這可能只需幾秒鐘。對于一個質量相當于一座山的黑洞來說，它需要20億年。對于像太陽這樣大質量的黑洞來說，需要10的67次方年！
31。黑洞里有什么？
這還未知，因為我們無法接觸那里的東西，落入黑洞的物質或許被壓縮了、或者全部到達中心的奇點。關于這些，你可以自由想象，因為沒有人能夠飛入黑洞再返回，來告訴我們那里有什么。
32。如果掉進黑洞會發生什么？
對于一個小黑洞來說，你會遭受所謂的“意大利面化”（這是一個科學術語）。如果你腳朝向黑洞往里掉，引力作用在你腳上比作用在你頭部更高，所以你會被拉伸，變得像意大利面。對于巨型黑洞來說，你的形狀可以忽略，你不會受到“意大利面化”的困擾。
發布于：上海
