“甜甜圈”黑洞有了“全景”照 中国科学家领衔首次为黑洞和喷流“合影”

还记得2019年以“甜甜圈”惊艳亮相的人类历史首张黑洞照片吗？相比这张“特写”照，今天中国科学家领衔的国际团队首次呈现了黑洞和喷流的“全景”照。在这张照片中，不仅“甜甜圈”大了近一半，还首次同时直观呈现了黑洞和喷流的样子，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。

这一“全景”照由中国科学院上海天文台研究员路如森领导的国际团队拍摄，121位成员来自17个国家和地区的64家研究单位。4月26日晚，相关研究成果发表在国际学术期刊《自然》上。

(资料图)

【解读】首次“全景”呈现的突破性价值

黑洞和喷流此前都有过“单人照”，但一直没有过“合影”。早在1918年，美国天文学家希伯·柯蒂斯首次观测到m87黑洞的喷流，他看到“一束奇怪的直射线，从一片朦胧的光斑中心发出”，这也是人类历史上第一

次观测到天体中的喷流。100多年后，人类终于第一次看到这个喷流与黑洞在同一张照片的全景“合影”。

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、

方向性一致，自然就形成了喷流。

路如森

“现在我们首次拍摄了m87黑洞和喷流的全景图，可以看到喷流如何从黑洞中喷薄而出。”这一国际合作项目首席科学家、论文第一作者路如森说。

这样的“全景”呈现究竟有多大价值？“一直以来，黑洞周围的物质被认为会吸入黑洞，但从来没有人直接对它进行过成像。学界至今也没能非常明确地解释黑洞与喷流的关系。通过‘全景’照片，我们不但看到落入黑洞的物质发出了‘光’，也看到了喷流的辐射。这使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程，有助于解开这个谜团。”

【揭秘】拍“特写”时，没同时拍“全景”吗？

“甜甜圈”大了近一半，难道是黑洞长胖了？

“黑洞还是那个黑洞，只是用了不同的观测频率。”路如森说。之前的“特写”是在1.3毫米波拍摄，这次的“全景”是在3.5毫米波拍摄，黑洞周围的吸积流变得更加不“透明”，这样一来就形成了一个更大的环结构图像。“甜甜圈”大了近一半，正来自于黑洞周围的吸积流。所谓吸积流，即黑洞周围的气体在黑洞强大的引力作用下向它坠落形成的物质流。

众所周知，2019年公诸于世的首张黑洞照片，由事件视界望远镜拍摄于2017年。为何当时只拍了m87黑洞的“特写”，没有把镜头拉远，再拍摄一张“全景”呢？

“其实当时事件视界望远镜试图要拍‘全景’，但没拍到。”曾经深度参与首张黑洞照片拍摄工作的路如森告诉解放日报·上观新闻记者，事件视界望远镜由8台地面射电望远镜组成，彼此离得特别远，视场比较小，只能聚焦于“甜甜圈”，离黑洞稍远的喷流没能入镜。此外，喷流在3.5毫米波观测下比较明亮，在1.3毫米波下则比较暗淡。

而此次m87黑洞“全景”照，由全球毫米波甚长基线干涉测量阵列（14个望远镜），联合阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜和格陵兰望远镜共同拍摄。这16台地面射电望远镜组成的阵列，相当于一台口径等效于地球直径的望远镜。“特别是位于南半球的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜的加入，改变了游戏规则。在那之前，由于我们的望远镜主要分布在北半球，使得南北方向分辨率不足。相比事件视界望远镜的观测频率1.3毫米波，3.5毫米波的视场要更大，我们首次在这一新频率拍到了m87黑洞周围的环状结构。”

沈志强

上海天文台台长、研究员沈志强介绍，此次拍摄使用的关键技术是“甚长基线干涉测量”（vlbi），首张黑洞照片以及探月、探火也用到了这个技术，它可以将分布全球各地的望远镜组成围绕地球的干涉阵列，从而收集来自宇宙的信号。

【幕后】“冲洗”照片用了五年之久

记者了解到，这张“全景”照拍摄于2018年4月14日至15日。为何“冲洗”照片用了五年之久？

困难源于这是一张视场很大的图像，里面包含许多成分，且这些成分的亮度差异很大。“在初步处理数据后，我们注意到了其前所未有的新特征，这给了我们很大激励。经过复杂的数据处理和成图过程，以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。”德国马普射电天文研究所的托马斯·克里希鲍姆说。

“m87黑洞不是很‘饿’，它消耗物质的速度很慢，只将其中一小部分转化为辐射。如果替换成人，相当于一年只吃一粒米。”路如森告诉解放日报·上观新闻记者，新的“全景”照带来了更多有趣的细节。

“我们还发现了其他令人惊讶的事情：在靠近黑洞的内部区域，喷流辐射的宽度比我们预期的要宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入，也可能有‘风’吹出来。”日本国立天文台的羽田和弘说。

【下一步】“彩色黑洞”和“黑洞电影”

有了黑洞的“特写”和“全景”，接下来要拍什么呢？

据介绍，这一国际合作项目下一步的目标是与事件视界望远镜一起拍摄“彩色黑洞”。“黑洞照片其实是黑白的，我们现在看到的称为之假颜色图，不同的颜色表示不同的亮度和不同的辐射强弱。所谓‘彩色’就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。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‘单色黑洞’，‘彩色黑洞’将带给我们更多信息，帮助我们更好地理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。”路如森告诉解放日报·上观新闻记者。

另一个目标是拍摄“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，是不一样的。对于m87黑洞，事件视界望远镜在过去几年进行了多次的连续成像观测，未来五年也有持续的观测计划。这些观测数据将呈现10年时间跨度上的“黑洞电影”。

【链接】精读“黑洞”，深入时空的本质

黑洞是什么？

——在引力极强的时空区域，任何东西甚至光（电磁波），都无法逃逸。因为光无法逃逸，称之为“黑”，因为物质无法逃逸，称之为“洞”。研究黑洞可以让我们深入了解空间和时间的本质。

黑洞本身不发光，但黑洞周围绕转的热气体，在不断地发出辐射，形成亮环。我们看到的亮环围绕着阴影，实际上是黑洞和它周围的发光气体组合形成的图像。

黑洞会影响地球吗？

——黑洞的影响范围与黑洞的质量成正比：质量越大，影响的范围越大，对时空的扭曲程度越厉害。星系中心的超大质量黑洞离我们非常遥远，不会对地球造成影响。目前，也没有证据表明地球附近存在小质量黑洞。

黑洞会“消失”吗？

——由于所谓的霍金辐射，经过一段时间后所有物质都会蒸发。对于迷你黑洞来说，可能只需几秒钟。对于一个质量相当于一座山的黑洞来说，需要20亿年。对于像太阳这样大质量的黑洞来说，需要10的67次方年。

黑洞里有什么？

——目前还未知，因为我们无法接触那里的东西。你可以自由想象，因为没有人能够飞入黑洞再返回，来告诉我们那里有什么。

如果掉进黑洞会发生什么？

——对于一个小黑洞来说，你会遭受所谓的“意大利面化”（这是一个科学术语）。如果你脚朝向黑洞往里掉，引力作用在你脚上比作用在你头部更高，所以你会被拉伸，变得像意大利面。对于巨型黑洞来说，你的形状可以忽略，你不会受到“意大利面化”的困扰。