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出品：科普中國

作者：路如森（中國科學院上海天文臺）

監(jiān)制：中國科普博覽

原文題：《換個“頻道”看黑洞：M87黑洞不再孤單！》

北京時間2023年4月26日晚，一個由中國科學家領導的國際研究團隊公布了在“新頻道”拍攝的黑洞“全景照”，即對首次被人類抓拍到定妝照的“明星黑洞”——M87黑洞在新的觀測頻段的拍攝結果，如圖1所示。

這一拍攝首次將M87黑洞的陰影以及其周圍的吸積流和噴流形成區(qū)呈現(xiàn)在同一張照片之中。這張新照片能夠幫助天文學家分解和分析M87黑洞周圍環(huán)境中的不同物理過程并進而了解其全貌。這一工作發(fā)表在本期出版的《自然》雜志上。

圖1: 全球毫米波VLBI陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）及格陵蘭望遠鏡（GLT）在3.5毫米所觀測到的M87的噴流結構（其中顏色以對數(shù)刻度標出），其致密的核心首次在該波段被分解并在高分辨率條件下呈現(xiàn)為環(huán)狀結構（內(nèi)嵌圖，其中顏色以線性刻度標出）。該環(huán)狀結構的角直徑比事件視界望遠鏡（EHT）在1.3毫米處所觀測到環(huán)狀結構大了近50%。

圖片來源：R.-S.Lu (SHAO), E.Ros (MPIfR), and S.Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

在“新頻道”上拍黑洞的“尾巴”

2019年4月10日，事件視界望遠鏡（EHT）合作組宣布在M87星系的中心捕獲人類首張黑洞照片，使得M87黑洞在全球一夜間“爆紅”，成為了黑洞中人盡皆知的“明星大咖”。

然而，熟悉M87觀測歷史的人都知道，早在100多年前，人們便發(fā)現(xiàn)M87星系中有一條奇特的準直光束“curious straight ray”（即噴流）從其中心發(fā)出并延伸至5000光年之外，這就是M87的噴流。

實際上，到目前為止，M87中的噴流已經(jīng)在所有電磁輻射波段——從低能的射電波段到高能的伽馬射線波段，都進行了充分的成像研究，如圖2所示。但奇怪的是，EHT前期拍攝的黑洞圖像中卻沒有看到噴流。此外，理論認為黑洞周圍存在著吸積流，它是“點亮”噴流的能源，此前也沒有對吸積流的直接成像探測。

圖2: M87星系中心在不同尺度上的圖像

圖片來源：參考文獻4

那么問題來了，為什么EHT沒有拍到噴流？這有兩個可能的原因。一個是望遠鏡分布的原因：EHT是全球8臺射電望遠鏡組成的陣列，其中望遠鏡間的距離都過遠，由該陣列所形成的虛擬望遠鏡的“視野”會被限制在黑洞周圍的一個很小的區(qū)域內(nèi)，因此對拍攝黑洞外面的噴流力有不逮。

另一個是噴流本身的原因。噴流在較短觀測波長上看起來更暗一些，因而變得難以探測。尤其在EHT工作的1.3毫米波段上，由于受到強烈的黑洞引力透鏡效應影響，來自吸積流和噴流的光線都會被彎曲成大小差不多的環(huán)狀結構。所以即使EHT拍攝到了噴流，它也很可能隱藏在陰影周圍的亮環(huán)之中。由此，這也意味著單純通過黑洞周圍亮環(huán)在1.3毫米的圖像并無法區(qū)分其是由吸積流還是噴流所產(chǎn)生的。

為了拍攝到EHT沒有拍到的初始噴流形成區(qū)，以及對M87黑洞周圍吸積流進行成像探測，探索黑洞和吸積流、噴流的聯(lián)系，我們在前期工作的基礎上，于2018年4月首次利用16臺望遠鏡組成等效于地球直徑大小的射電望遠鏡在3.5毫米波段對M87開展了成像觀測，觀測陣列示意圖如圖3所示。

這16臺望遠鏡通過甚長基線干涉(VLBI)技術組合成陣列，其中包含全球毫米波VLBI陣列（GMVA）中的14臺望遠鏡和阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)以及格陵蘭望遠鏡（GLT）。相比之前單獨利用GMVA開展的觀測，ALMA的加入大大提升了陣列的觀測能力。它使我們在南北方向（即垂直于噴流的方向）的分辨本領提高4倍，并且憑借其超高的靈敏度“錨定”整個陣列。ALMA就像目前毫米波VLBI觀測陣列中真正的游戲規(guī)則改變者，因此，從獲取ALMA觀測項目的那一刻起，整個團隊都興奮了起來，因為大家都知道，真正的“王炸”要來了!

圖3:由全球毫米波VLBI陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）及格陵蘭望遠鏡（GLT）所組成的2018年的觀測陣列示意圖

圖片來源：MPIfR/Helge Rottmann

新陣列拍到的全新特征

要將一手好牌打贏并非易事。新組成的望遠鏡陣列聯(lián)合工作，各種意料之外的事情時有發(fā)生。比如，此次加入陣列的格陵蘭望遠鏡是一臺新的望遠鏡，它參與工作時尚在調(diào)試階段。在觀測過程中，其基于波導的相位旋轉(zhuǎn)器被錯誤地配置，使得后續(xù)的數(shù)據(jù)處理分析需要開發(fā)特別的算法來處理。像這類觀測中的意外情況還有很多。

為此，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，才最終獲得能夠用來可靠成像的數(shù)據(jù)。

盡管這種反復的處理給人帶來煎熬，但當筆者第一次初步處理完部分數(shù)據(jù)并進行檢查確認時，還是第一眼就被其中有意思的特征驚艷到了。我們發(fā)現(xiàn)在一些由陣列中相距很遠的三個望遠鏡所組成的基線三角形上測量到的“閉合相位”幾乎是180度，這意味著M87的“射電核心”（radio core）被分解開了！

同時，我們發(fā)現(xiàn)測量到的“可見度”（visibility）的幅度隨著基線長度的增加會先降低然后再升高，形成所謂的“零點”（visibility null）[見下文及圖4]。這些是以前在任何類似的3.5毫米觀測中都未曾看到過的數(shù)據(jù)特征。

這種意想不到的特征不禁使人興奮，也給了我們繼續(xù)前行莫大的動力，團隊成員都心照不宣，知道這一次應該肯定“有貨”了。為了確?！俺鲐洝笨煽浚覀円环矫嫱ㄟ^不同團隊成員分別進行獨立的數(shù)據(jù)校準來互相驗證結果，另一方面通過使用不同的數(shù)據(jù)校準方法對結果進行確認。

實際上，這些數(shù)據(jù)特征在成像之前就已經(jīng)告訴我們很多M87黑洞結構的信息。比如，不論是“閉合相位”還是“可見度”的幅度特征都與預期的一個環(huán)狀結構相一致，而且幅度信息中“零點”出現(xiàn)的位置還能夠告訴我們環(huán)的大小。圖4中顯示了一個理想的圓環(huán)所對應的可見度幅度隨著望遠鏡間的基線長度的變化。隨著環(huán)的大小的變化，“零點”的位置也會改變。

有意思的是，我們在3.5毫米測得的“零點”位置與EHT之前在1.3毫米所觀測到的第一個“零點”的位置明顯不同，表明兩個環(huán)狀結構的大小是不同的。由于我們測量到的“零點”所在位置對應的基線長度較短，意味著在3.5毫米所觀測到的環(huán)更大！同時，我們也有充分且可靠的證據(jù)表明兩個環(huán)的不同大小并非是由于觀測時間的不同而造成的（黑洞并沒有長胖?。?/p>

那么問題又來了，環(huán)的大小不同重要么？

圖4：理想的圓環(huán)模型所對應的可見度數(shù)據(jù)的幅度隨著（投影的）望遠鏡間基線長度（以觀測波長為單位）的變化。隨著圓環(huán)直徑的增大，其可見度的第一個“零點”位置會向著短基線方向移動。圖中黑色豎線標出目前地面上全球3.5毫米陣列所能達到的最長基線長度（約3×109倍波長）。對于一個理想的，大小與之前EHT觀測結果相一致的42個微角秒的圓環(huán)，地面陣列在3.5毫米難以探測到該標志性特征，因此難以將其分解開并確定其具體形狀。然而，對于一個大小為64個微角秒的理想圓環(huán)，其對應的第一個“零點”卻可以被地面的3.5毫米陣列所探測。

圖片來源：中國科學院上海天文臺

顛覆認知假設的大“甜甜圈”

其實，起初根本就沒有人想過地面的干涉陣列能在3.5毫米觀測到一個環(huán)狀的結構，或者說探測到可見度中的這個“零點”！

這是因為EHT黑洞陰影圖像中的“甜甜圈”如果對應于黑洞周圍的那個無色的（achromatic）的光子環(huán)，那么它的大?。ń侵睆剑┰?.5毫米應該與在1.3毫米一樣也是42微角秒，其可見度幅度的第一個“零點”的位置將遠超地球上3.5毫米陣列所能覆蓋的范圍（圖4中黑線所示），所以將不可探測。

在這一根深蒂固的假設下，人們不相信地面陣列能在3.5毫米探測到一個環(huán)狀結構。一個有意思的事情是為了維護這一假設，甚至有的合作者在我們提出新觀測項目時，不允許使用“ring”或“ring-like”這類“特定”用來描述EHT圖像中甜甜圈的詞。

圖5: M87*（即M87的射電核心）在3.5毫米和1.3毫米的實際觀測圖像

圖片來源：中國科學院上海天文臺

我們實際看到了比猜想更大的環(huán)，顛覆了先前的假設。

我們在從觀測數(shù)據(jù)重建圖像的過程中，進一步確認了這一結果。我們通過不同的VLBI成像方法均發(fā)現(xiàn)圖像中存在一個環(huán)狀的結構，與觀測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的特征相符合。與前期開展的EHT工作類似，我們也通過大量成像參數(shù)的搜索來確定最終的圖像。

此外，除了成像參數(shù)，我們還考慮數(shù)據(jù)中噴流成份對致密核區(qū)中環(huán)狀結構成像的潛在影響。通過分析大量的圖像以及陣列中望遠鏡的布局和各種成像參數(shù)對圖像細節(jié)帶來的可能影響，我們最終能夠確定M87的核心中確實存在一個環(huán)狀的結構。

最終，通過對大量圖像中環(huán)狀結構大小的測量以及通過對觀測數(shù)據(jù)的直接模型擬合，我們能夠確定在3.5毫米觀測到的環(huán)狀結構的大小為64微角秒，比EHT在1.3毫米測得的環(huán)狀結構（42微角秒）大了近50% ！

那么這個新的大甜甜圈意味著什么呢？

新圖像揭示的物理

我們利用計算機模擬黑洞的吸積流和噴流，計算這些物理過程中產(chǎn)生的光線如何形成觀測到的圖像。我們想了解形成環(huán)結構的光線主要來自于吸積流還是噴流，于是對比了光線全部產(chǎn)生于吸積流和光線全部產(chǎn)生于噴流這兩種情況（考慮光線主要產(chǎn)生于吸積流和光線主要產(chǎn)生于噴流的情況時并不會改變最后的結論）。

我們發(fā)現(xiàn)在1.3毫米，來自吸積流和噴流的光線都可以在引力透鏡效應下形成和EHT觀測相一致的環(huán)。但在3.5毫米，只有吸積流模型可以產(chǎn)生與我們觀測相一致的較大的環(huán)。這是因為吸積流并不完全“透明”，吸積流內(nèi)區(qū)產(chǎn)生的光線在穿過外區(qū)時會被吸收掉一部分，而外區(qū)產(chǎn)生的光線則不會被吸收。這樣一來，光線將更多來自吸積流的外區(qū)，形成一個較大的環(huán)結構圖像。

理論上，如果將黑洞周圍的“甜甜圈”更進一步分解的話，它其實是由許多不同的子環(huán)組成的。受引力透鏡的影響，部分光線會繞轉(zhuǎn)黑洞數(shù)圈才達到觀測者，形成很細的子環(huán)。若用n來表示子環(huán)的序號，則光線在到達觀測者之前已經(jīng)繞黑洞旋轉(zhuǎn)了n/2圈。n=0的環(huán)為光線發(fā)出后直接到達望遠鏡形成的圖像，只有這個環(huán)的大小隨觀測波長變化。波長越長，吸積流越“不透明”，n=0的環(huán)也就越大[圖6]。

圖6：黑洞圖像構成示意圖。黑洞由于強大的引力會在周圍明亮的物質(zhì)上投下“陰影”。該陰影以明亮的光環(huán)為界，對應于逃逸前經(jīng)過黑洞附近的光子。該環(huán)是由越來越尖銳的子環(huán)疊加而成，第n個子環(huán)對應的光子在到達觀察者之前繞黑洞旋轉(zhuǎn)了n/2圈，其中n=0的子環(huán)是黑洞周圍輻射區(qū)的“直接”圖像。當觀測波長增加時，由于受到輻射的不透明度影響，該n=0的環(huán)的直徑會變大。

圖片來源：中國科學院上海天文臺

吸積流模型對觀測的成功解釋，也意味著此次觀測首次對吸積流進行了直接的成像探測。

另一方面，新圖像中的噴流結構也讓我們得以進一步了解它的起源。

由于我們觀測陣列中的臺站（共16個）比EHT陣列多（EHT首次黑洞成像只有分布于5地的7個臺站），靈敏度高，而且由于噴流在該波段更亮，所以實現(xiàn)了對距黑洞～100個史瓦西半徑（Rs）以內(nèi)的區(qū)域進行細致成像[見圖1和圖5]。

我們發(fā)現(xiàn)噴流確實是在黑洞的事件視界附近產(chǎn)生的并且存在一個邊緣增亮的“spine/sheath”的三齒狀結構。這種結構有可能是由于噴流中的速度分層造成的。通過測量噴流在不同位置處的寬度，我們發(fā)現(xiàn)M87噴流的寬度輪廓（即噴流寬度隨黑洞距離的變化）與Blandford–Znajek機制產(chǎn)生的噴流完全一致，即噴流是通過提取黑洞的自轉(zhuǎn)能產(chǎn)生。然而，在黑洞邊緣處（～20Rs內(nèi)），觀測到的噴流卻明顯要比這一機制預言的噴流寬。這可能是由于吸積流中“風”的影響造成的。未來更長時間的觀測將有望看到“風”影響噴流的動態(tài)過程。

圖7: 噴流寬度隨著離黑洞距離的變化

圖片來源：參考文獻[1]

從“新”出發(fā)：拍攝黑洞“彩色”照片和電影

當前，不論是前期EHT在1.3毫米拍攝的黑洞圖像還是此次拍攝的3.5毫米黑洞圖像都是通過單一顏色的“射電光”拍攝的靜態(tài)“黑白”照。在不遠的將來，我們將有望通過多頻的同時觀測給黑洞拍攝“彩色”照片，甚至“彩色”電影。這樣一來，我們就可以區(qū)分黑洞圖像中由引力所致的“無色”的“永恒”結構和由天體物理過程所致的“有色”的“時變“結構，從而更深入地探索黑洞周圍的時空，理解黑洞周圍相關的天體物理過程。

前后歷經(jīng)近五年時間，我們利用全球毫米波VLBI陣列并聯(lián)合ALMA和GLT望遠鏡，在不同與EHT的觀測頻段對M87黑洞及其周圍的吸積流和噴流一同進行了成像探測，給黑洞拍攝了一張“全景照”。整個工作的主要完成期間恰逢新冠疫情肆虐全球,但這并未阻隔團隊成員間的密切溝通和協(xié)作。粗算下來，筆者組織了近百次電話會議討論和通過近千封郵件的溝通，才最終順利完成了這一工作。展望未來，通過對包括M87在內(nèi)的近鄰超大質(zhì)量黑洞在多頻率同時進行長期的監(jiān)測，我們有望在不遠的將來拍攝出黑洞的“彩色”電影。

參考文獻：

[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, in press.

[2] 路如森，左文文, “世界首張黑洞照片出爐，中國科學家有啥貢獻？”, 2019,賽先生

[3] Curtis, H. D.“Descriptions of 762 Nebulae and Clusters Photographed with the Crossley Reflector”，1918, Publications of Lick Observatory, 13, 9.

[4] 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.

[5] Event Horizon Telescope Collaboration, Akiyama, K., Alberdi, A., et al.,“First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”, 2019, ApJL, 875, L1.

[6] Kim, J.-Y., Lu, R.-S., Krichbaum, T.P., et al., “Resolving the Base of the Relativistic Jet in M87 at 6Rsch Resolution with Global mm-VLBI”, 2016, Galaxies, 4, 39.

[7] 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.

[8] Event Horizon Telescope Collaboration, Akiyama, K., Alberdi, A., et al., “First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole”, 2019, ApJL, 875, L4.

[9] Blandford, R. D. & Znajek, R. L.,“Electromagnetic extraction of energy from Kerr black holes”,1977, MNRAS, 179, 433.

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