M87*，人类首次“看见”的那个黑洞

中国科学院上海天文台路如森研究员领衔的国际团队通过在毫米波段开展的新观测，首次对射电星系M87的黑洞（M87*）阴影，以及其周围吸积落入中央黑洞的物质的环状结构和强大的相对论性喷流一同进行成像。图像表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。4月26日，路如森代表团队对外公布了这一成果，相关研究也发表于新一期出版的国际学术期刊《自然》。

这是人类首次“看见”的黑洞。M87*是目前宇宙中所知质量最大的黑洞之一，约65亿倍太阳质量，位于室女座星系团中央巨椭圆星系的中心，距离地球约5500万光年，质量约为太阳的65亿倍，是目前宇宙中所知质量最大的黑洞之一。2017年，事件视界望远镜（EHT）——一台口径等效于地球直径的射电望远镜，成功拍摄到了M87*的照片，其外面一圈亮环围绕着中间的阴影，长得像个“甜甜圈”。

M87星系有着长达5000光年的明亮喷流，而M87*正是喷流的源头。给M87*拍照可以帮助我们理解黑洞附近的环境，观察黑洞周围的物质是如何绕转、掉进黑洞或被喷出的，进而研究黑洞和喷流的关系。>>详情

M87在3.5毫米波长所观测到的图像，其致密的核心首次在该波段被分解并在高分辨率条件下呈现为环状结构（内嵌图）。中国科学院上海天文台供图

阴影和强大喷流首次“全景”合照

由于EHT的视场比较小，只能拍摄到黑洞的“特写”照片。为了拍到黑洞的“全景”照片，研究团队把观测波长设置为3.5毫米，并联合了16台望远镜（EHT的观测联合了8台望远镜），成功将M87*的阴影以及其周围吸积流和喷流呈现在一张照片中，比EHT在1.3毫米观测到的“甜甜圈”大了近50%，并且看到其向远处延展的“尾巴”，即黑洞的喷流。

EHT拍摄的照片是黑洞的“特写”，看到亮环围绕着中间的阴影。此次我们拍摄到黑洞的“全景”，在这张照片中有黑洞、黑洞周围的吸积流，以及从盘附近延伸向远处的喷流。这张照片作为EHT照片的拓展，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。>>详情

左为2019年4月10日公布的人类历史首张黑洞照片，右为2023年4月26日公布的同一个黑洞的照片，环状结构在3.5毫米波长下变得更大、更厚。

帮助解释黑洞与喷流的关系

喷流是一种天文现象，看上去像一条火焰柱。人们将具有定向、狭长、高速的电离物质外流称为喷流。理论学家认为，黑洞不仅在“吃”（吸积物质），同时也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物质速度快、方向性好，自然就形成了所观测到的喷流。但理论学家至今也没能非常明确地解释黑洞与喷流的关系，观测工作也在一步步试图解开这个谜团。

上海天文台天文学家、中德马普伙伴小组组长、论文第一作者路如森说，“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图。”黑洞周围的物质在吸积过程中落入黑洞，但从来没有人直接对它成像。“我们之前看到的环状结构现在在3.5毫米波长下变得更大、更厚。这表明在新的图像中可以看到落入黑洞的物质产生了额外的辐射。这使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。”路如森表示。

位于德国波恩的马普射电天文研究所（MPIfR）天体物理学家托马斯·克里鲍姆（Thomas Krichbaum）说：“现在我们可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的，而且我们现在也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径。”>>详情

本次拍摄将16台射电望远镜连起来，组成一台口径等效于地球直径的望远镜。

中国学者领衔全球16台射电望远镜观测

此次观测结果来自于中国学者领衔的国际合作项目，成员来自17个国家和地区、64家研究单位，共计121位。相比于拍摄人类首张黑洞照片的“事件视界望远镜”联合了8台望远镜，本次拍摄是将16台射电望远镜连起来，组成一台口径等效于地球直径的望远镜。

这16台射电望远镜分别为全球毫米波甚长基线干涉测量阵列（GMVA）的14台望远镜，位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA），以及位于格陵兰岛的格陵兰望远镜（GLT）。

路如森表示，尤其是阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA），它是毫米波VLBI（甚长基线干涉测量）观测中真正的游戏规则改变者，使得南北方向分辨率增加4倍，并可以“锚定”整个阵列。“从历史脉络来讲，北半球比较发达，建了很多望远镜，但结果是在北半球的东西方向建了很多望远镜，南北方向上，南边很缺望远镜，而我们这种成像需要各个方向都有望远镜分布。”

由于争取到“巨无霸”级的望远镜ALMA加入观测阵列，所有人都对拍摄结果抱有很高期待。初步处理数据后，研究团队就在数据中注意到了前所未有的新特征，这给团队成员很大激励。经复杂的数据处理和成图过程，及反复验证和确认结果，最终在五年后呈现出这张史无前例的新图像。>>详情

M87星系中心超大质量黑洞（M87*）的图像。上方为2017年4月11日的图像，下方三个图为M87*在2017年4月5日、6日和10日的图像。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”，周围的环状不对称结构是由于强引力透镜效应和相对论性射束效应所造成的。

未来对M87的探索值得期待

“此次展现的3.5毫米波长图像可以说是代表了当前的最新成就。但为了揭示M87中央超大质量黑洞及其相对论性喷流的形成、加速、准直传播的物理机制之谜，我们需要拍摄更多色的高质量图像，包括在0.8毫米或更短的亚毫米波波长的黑洞照片，以及在长至7.0毫米波长的黑洞和喷流的全景图像，未来非常令人期待。”上海天文台台长沈志强研究员补充说。

下一步，上海天文台计划与EHT一起拍摄“彩色黑洞”。所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照，以及在更遥远的未来空间VLBI拍摄的更短波长的照片。由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程，相比于“单色黑洞”，“彩色黑洞”将带来更多信息，帮助科学家更好地理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。

另一个目标则是拍摄“动态黑洞”。黑洞并不是静止的，它每时每刻都在和周围环境相互作用，因此不同时刻看它，它是不一样的。拍摄“动态黑洞”将在空间维度上再解锁时间维度，让研究者能够全方位的观测和理解黑洞。对于M87黑洞，由于它变化缓慢，需要长时间的监测来拍摄它的变化，未来或许能拍到“黑洞电影”。>>详情