還記得4年前發布的那張M87黑洞寫真照嗎，酷似一個“甜甜圈”。如今，經過科學家的努力，黑洞有了全景照，從“甜甜圈”變成了“雞爪子”。
16臺射電望遠鏡連起來，組成了一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。這是人類首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環狀結構進行成像，可以說拍到了黑洞的全景照，乍一看像“雞爪子”。圖像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，相關成果近日在國際學術期刊《自然》發表。
完成這項工作的，是由中國科學院上海天文臺研究員路如森領銜的國際合作團隊，成員來自17個國家和地區、64家研究單位，共計121位。團隊中不乏一些80后、90后的身影，記者采訪了這個充滿朝氣的年輕團隊，聽聽他們給黑洞拍照背后的故事。
“這是星際旅行中會看到的風景”
在這張最新的全景照上，有黑洞，有黑洞周圍的吸積流，還有從吸積盤附近延伸向遠處的噴流“尾巴”。M87黑洞在這張3.5毫米的圖像上，呈現出令研究者感到意外的“甜甜圈”形態，比此前那張在1.3毫米拍攝到的舊“甜甜圈”大了近50%。
“可以想象一下，假設我們在進行星際旅行，在朝著我們的主角M87黑洞前進，那這張照片呈現的，就是我們在旅程上所看到的風景。”論文第一作者路如森說。
新照片的拍攝時間是2018年4月14日至15日，被拍攝的對象M87黑洞，位于梅西耶87星系，即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，是太陽質量的65億倍。它有著長達5000光年的噴流，“非常上相”。
“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?！甭啡缟f，“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?！?/p>
據他介紹，黑洞周圍的物質，被認為是在吸積的過程中落入黑洞的。在這之前，從來沒有人直接對它進行過成像。
這一回，參與拍攝的望遠鏡包括全球毫米波甚長基線干涉測量陣列(GMVA)的14臺射電望遠鏡，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)，以及位于格陵蘭島的格陵蘭射電望遠鏡(GLT)。
據研究團隊介紹，GMVA測得的環狀結構直徑為64微角秒，相當于“月球上的宇航員回望地球時，看到一個13厘米的環形補光燈”的大小。
“觀測波長越短，觀測條件對天氣的要求就越高。每年的觀測時間都是相當有限的，觀測時間的申請也競爭得非常激烈，團隊要代表這個領域最前沿的水平。”中國科學院上海天文臺副研究員江悟對中青報·中青網記者說。
江悟的工作是對觀測到的數據進行處理。據他介紹，拍照時需要全球范圍協同觀測，所以，要求所有臺站的觀測天氣觀測條件都合適，綜合考慮下來，最合適的時間通常是4月，“南北兩個半球都適宜”。
他告訴記者，在爭取到“巨無霸”級的望遠鏡ALMA加入觀測陣列后，整個團隊的人，都對拍攝結果“抱有很高期待”。
在對數據進行處理后，“前所未有的新特征”被呈現了出來，這讓研究團隊的成員都倍感興奮。在這之前，很多人認為在這個波長上不會看到“甜甜圈”。路如森承認，就連他自己也沒有想到。
“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?！蔽挥诘聡ǘ鞯鸟R普射電天文研究所的托馬斯·克里奇鮑姆說，“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。”
“要用物理學的方式來解釋‘甜甜圈’”
來自M87黑洞的射電輻射，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。它們還告訴研究者一些關于黑洞本身的性質：它不是“很餓”，消耗物質的速度很低，只將其中一小部分轉化為輻射。
此外，在靠近黑洞的內部區域，輻射的寬度比預期的要寬。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”。
為了解這個更大、更厚的“亮環”的來源，研究者們不得不使用計算機模擬測試不同的情況，最終得出結論，“亮環的較大范圍與吸積流有關”。
在將“生數據”處理成“熟數據”的過程中，研究團隊前后做了4次相關分析，“克服來來回回返工的煎熬”，最終得到了最可靠的“熟數據”。
從“熟數據”重建觀測圖像，也遇到了“前所未有的挑戰”。新照片是一張視場很大的圖像，里面包含著許多成分，且這些成分的亮度差異很大。團隊匯聚了遍布全球各地許多合作者的經驗，在各種嘗試和反復驗證之后，最終克服了這些困難。
陣列中的格陵蘭望遠鏡，是一臺新的射電望遠鏡，參與觀測時還在調試階段。在觀測過程中，這臺望遠鏡的相位旋轉器配置錯誤。團隊是在事后才發現這一問題，不得不在處理數據時，專門開發特別的算法來解決這個問題。
楊海是中國科學院上海天文臺團隊里最年輕的成員，他的工作就是用物理學的方式，“想辦法去解釋”觀測到的數據。他是一名90后，是黑洞吸積與高能天體物理研究組的一員，也是研究員袁峰的學生。
“我們得到黑洞噴流的運動速度、密度，還有旁邊磁場強度這些數據，然后用計算機模擬它到底長什么樣。最后思考它的理論模型怎么構建，找出它的理論解釋?！睏詈χ星鄨蟆ぶ星嗑W記者說。
2014年，電影《星際穿越》上映時，一向對科幻感興趣的他坐在電影院里，面對大熒幕上模擬出來的黑洞深感震撼。當時的他并沒有預料到，沒過幾年，自己的工作會與黑洞息息相關。但對天文學、黑洞的興趣，于他而言卻一如既往。
作為該領域的“新手小白”，楊海跟隨老師們給黑洞拍照，在這個過程中，他難免緊張，在團隊的群里基本不用年輕人常用的那些表情包，也盡量不說時下流行的網絡語言。
不過在線下討論時，這位90后反而沒那么緊張了。他會大膽地提出自己的想法，然后認真聆聽老師們的意見，“告訴我這樣做好不好，是否值得花時間嘗試”。
從家到單位，楊海保持著兩點一線的生活，也保持著坐在基礎研究“冷板凳”上的耐心。偶爾他也會注意到，有同學畢業后進了技術類的公司，拿著比他高幾倍的工資。他的內心并不會因此起太多波瀾，他認為，研究上能出成果，對他而言更加重要。
“將來我們還要給黑洞‘拍電影’”
用路如森的話說，后續的工作，還包括給M87黑洞“拍動畫”，甚至“拍電影”。
人類將目光投向M87，最早可以追溯到1781年。彼時，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。梅西耶以字母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”。
然而直到100多年后，人類才意識到M87并不是星云，而是一個星系。天文學家看到“一束奇怪的直射線從一片朦朧的光斑中心發出”，那是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流。而事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)2017年成功拍攝到M87星系中心超大質量黑洞的照片，則又是一個世紀之后的事了。
人類對仰望星空的過程充滿好奇心，也歷盡艱辛，但從未停止。對M87的探索，也并沒有結束。
“此次展現的3.5毫米波長圖像，可以說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?！敝袊茖W院上海天文臺臺長沈志強研究員說。
進一步的觀測和更強大的射電望遠鏡陣列，將繼續揭開它的神秘面紗。未來，毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變，并通過結合不同顏色的“射電光”圖像，來獲得M87中心黑洞區域的多色視圖。
“這次我們用到的毫米波技術，在通信等領域，都是可以用上的；望遠鏡建造也涉及結構、機械設計等方面的前沿技術，未來也可以轉化。從這個角度上說，我們現在做的很多工作，在促進科學應用方面是有幫助的?！苯驅χ星鄨蟆ぶ星嗑W記者說。
江悟是一名從事科研工作10多年的80后，在他看來，基礎研究跟現實生活之間，往往是看上去沒什么關系，實際上只有基礎研究不斷往前推進，才能帶動最前沿、最先進的技術發展，并以此改進人類的生活生產方式。
江悟也曾參與首張黑洞照片的“拍攝”，如今又獲得了噴流整體圖像的新照片。他覺得，這些年的經歷對他來說“很特殊”。
“我喜歡追究事物的本質，更希望去進行基礎研究?！彼麑τ浾吒锌叭绻易龅墓ぷ鳎軌驅@個領域有一定的貢獻，還能取得一定的科學成果，這就是最讓我滿足的事了?！?/p>
中青報·中青網記者 張渺 來源：中國青年報
（張渺）
掃碼下載
中文網微信