由中國科學院上海天文臺路如森研究員領導的一個國際研究團隊通過毫米波段對M87星系中央黑洞進行了觀測成像，首次將中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源聯系在一起，對進一步認識神秘的黑洞有著重大意義。相關成果發表在本期出版的國際頂級學術期刊《自然》雜志上。
黑洞長“尾巴”
2019年，事件視界望遠鏡合作組織發布了人類歷史上首張黑洞的影像，引發全球關注，一時間黑洞的“甜甜圈肖像”成為街頭巷尾最熱門的話題之一。當時所公布的“照片”就是M87星系中心超大質量黑洞（記作M87*）。而在最新發表的成果中，我們看到M87*似乎不僅“胖”了，并且還長出了一個小“尾巴”。這是為什么呢？
M87星系位于室女座內，距離地球5500萬光年，是室女座星系團中質量最大的橢圓星系。早在100多年前，人們就發現M87星系中有一條筆直的光束，從其中心發出，一直延伸至5000光年之外。后來，廣義相對論的誕生催生了一種奇特而又神秘的天體——黑洞。黑洞的引力異常強大，在一定范圍內，任何物質包括光都難以逃脫，這個邊界被稱為事件視界。在事件視界外，如果有物質在不斷往黑洞中掉落，這個過程叫吸積，也就是俗稱的黑洞“吃”東西，那么黑洞周圍應當形成吸積流或吸積盤。黑洞在“吃”東西的同時，還會“吐”東西，在垂直于盤面的方向形成噴流。
天文學家意識到，M87星系中的光束很可能就是黑洞的噴流，M87星系的核心應當擁有一個超大質量黑洞。此后天文學家一直對M87星系青睞有加，用各種波段對它進行觀測。這就好比“盲人摸象”，希望通過不同視角、不同感受拼湊出黑洞的全景畫像。在伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、射電等電磁波的各個波段上，都“看”到了這股噴流。
其中，射電波段由于特殊的技術手段可以獲得更為杰出的分辨率，承擔起給噴流的源頭——超大質量黑洞拍照的任務。據推測，M87星系中心擁有一個質量達到太陽的65億倍的黑洞，其事件視界直徑約為400億公里（或日地距離的260倍）。要在那么遠的距離上看清那樣大小的黑洞，至少需要一臺接近地球大小的巨型望遠鏡。于是，聰明的天文學家選擇了分布在全球的8臺射電望遠鏡/陣，構建起一個虛擬望遠鏡——事件視界望遠鏡（EHT, Event Horizon Telescope）。經過全球十幾個機構數百位天文學家的艱苦努力，才有了黑洞的照片。
EHT在2017和2018年的觀測中使用的望遠鏡（黃點）
首張黑洞照片十分迷人，它讓我們第一次看到了黑洞的“陰影”，以及陰影外由于黑洞吸積所形成的環狀結構。它的形態完全符合預期。然而，我們所看到的亮環是由吸積流和引力透鏡效應共同構成的，當前的望遠鏡分辨率無法將它們區分開。同時，由于這張照片中的M87*顯得太過“純凈”了，我們無法看到“甜甜圈”周圍的東西。
首張黑洞照片有吸積流但沒有噴流，以往的其他波段照片上有噴流，但沒有黑洞和吸積流，所以，這兩者之間到底是如何聯系的呢？此番研究成果給這個問題提交了一份重要的答卷——黑洞的陰影、黑洞的吸積流、黑洞的噴流首次清晰地出現在一張圖像中！我們看到的小“尾巴”就是黑洞的噴流，并且似乎它和黑洞的吸積流相連。
16臺望遠鏡聯袂
這次所使用的技術與EHT相同，都是甚長基線干涉測量（VLBI）技術，它是利用電磁波干涉效應（電磁波達到每臺望遠鏡的時間是不同的），將分布在不同位置上的望遠鏡關聯在一起，等效于一個更大口徑的望遠鏡。總的來說，基線越長、望遠鏡數量越多、分布越均勻，觀測的效果越好。
所不同的是，首張M87*照片使用的觀測波長是1.3mm，分辨率更高，并且對更接近黑洞的地方更敏感，這就是為什么我們看到的是孤零零的“甜甜圈”。而本項成果所觀測的是3.5mm波，能看到距離黑洞更遠一些的地方，這就是為什么我們能“看到”噴流。
另外的區別在于，EHT動用了8臺射電望遠鏡，這次中國科學家主導的項目調用了全球16臺射電望遠鏡。其中全球毫米波陣列（GMVA, Globe mm-VLBI Array）貢獻了14臺，再加上位于智利的阿塔卡馬大型毫米/亞毫米波陣（ALMA, Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array）以及位于格陵蘭島的格陵蘭望遠鏡（GLT, Greenland Telescope）。
值得一提的是，ALMA本身就是一個擁有幾十臺射電望遠鏡的大型陣列，得益于海拔5000多米干燥的高原沙漠環境，它成為全球最為重要的毫米/亞毫米波觀測站點。文章的第一作者上海天文臺研究員、中德馬普伙伴小組組長路如森研究員介紹，他在數年前就通過GMVA對M87*進行過觀測，這次ALMA的加入對成像質量起到一錘定音的效果，是“游戲規則的改變者”。而GLT的加入則是錦上添花，提供了一條接近地球大小的基線長度。
波長、基線、數量、分布，巧妙的構思、科學的規劃為成功的拍照奠定了基礎。在3.5mm的圖像上，M87*的環狀結構直徑為64微角秒（1微角秒 = 1/1,000,000角秒 = 1/3,600,000,000度），比EHT在1.3mm獲得的環狀結構大了50%，其分辨率相當于從地球上看到月球表面的一個手機。這個大小也符合對該區域相對論等離子體輻射的預期。
更多的疑問更多的期待
或許和很多人想象的不一樣，一個新的科學成果可能會解決若干懸而未決的問題，但也往往會帶來更多的疑惑。這大概就是科學的魅力了。
例如，為什么噴流在距離黑洞很近的地方呈現三齒狀，在數百光年甚至更遙遠的位置上依然能保持準直？還有在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度比預期的更寬，是否因為黑洞在“吃”東西同時還在“打嗝”，不斷向外吹著星風，從而造成黑洞周圍的湍流和混亂？3.5mm波的圖像中的亮斑位置與1.3mm波圖像中的亮斑位置有些偏差，是因為望遠鏡地理位置的分布造成的，還是真實存在的物理現象？
上海天文臺臺長沈志強研究員表示：“此次展現的3.5mm波長圖像代表了當前的最新成就，但為了揭示M87中心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，未來還需拍攝更多色的高質量圖像，覆蓋從0.8mm或更短的亞毫米波，長至7.0mm波長的黑洞和噴流的全景圖像。”
如果參考“哈勃美圖”的做法，給不同波段的圖像染上不同的顏色，或許真的可以制作出一張超大質量黑洞的“彩色照片”。
圖片來源：
1. R.-S. Lu (SHAO) and E. Ros (MPIfR), S.Dagnello (NRAO/AUI/NSF)
2. NASA/JPL
3. The EHT Multi-wavelength Science Working Group; the EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); the EVN; the EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); the GMVA; the Hubble Space Telescope; the Neil Gehrels Swift Observatory; the Chandra X-ray Observatory; the Nuclear Spectroscopic Telescope Array; the Fermi-LAT Collaboration; the H.E.S.S collaboration; the MAGIC collaboration; the VERITAS collaboration; NASA and ESA
4. The Event Horizon Telescope Collaboration et al 2019 ApJL 875 L2
5. Event Horizon Telescope Collaboration
6. 網絡
7. MPIfR/Helge Rottmann
8. GMVA; Lu et al. 2023
9. Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
參考資料：
[1] Lu，R.-S., Asada, K., Krichbaum, T. P. et al.,“A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet”, 2023, Natrue.
[2] Curtis, H. D.“Descriptions of 762 Nebulae and Clusters Photographed with the Crossley Reflector”，1918, Publications of Lick Observatory, 13, 9.
[3] EHT MWL Science Working Group, Algaba, J. C., Anczarski, J., et al., “Broadband Multi-wavelength Properties of M87 during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign”, 2021, ApJL, 911, L11.
[4] Kim, J.-Y., Krichbaum, T. P., Lu, R.-S., et al., “The limb-brightened jet of M87 down to the 7 Schwarzschild radii scale”, 2018, A&A, 616, A188.
[5] 首張黑洞照片的說明書, 天文茶餐廳
作者：水兄（施韡）
