近期,一个由中国科学院上海天文台牵头的国际团队利用全球16个观测台站开展了对M87星系中心的联合成像研究,并在全新的频段给M87黑洞及其周围的环境拍摄了“全景照”。这标志着天文学家朝着对黑洞进行“多彩成像”的目标迈出了重要一步。相关研究成果发表在国际学术期刊《自然》上。

【资料图】

科学家为什么要给黑洞拍照?黑洞的照片又是如何拍出来的?让我们一起来探秘这张黑洞“全景照”的拍摄过程。

“全景照”或有助破解黑洞谜团

对于黑洞的研究可以让我们深入了解空间和时间的本质,对近邻超大质量黑洞进行成像研究是当前天文研究的国际前沿热点。

此前,天文学家已经通过事件视界望远镜(EHT)分别于2019年和2022年对位于M87星系中心和人类所居的银河系中心的两个超大质量黑洞进行了成像。

M87黑洞重约65亿倍太阳质量,是目前宇宙中已知质量最大的黑洞之一,而且距离地球仅有5500万光年,是非常适合拍照研究的对象。此外,M87星系有着明亮的、长达5000光年的喷流,M87黑洞正是该喷流的源头。

1918年,美国天文学家希伯·柯蒂斯首次观测到M87星系的喷流,这也是人类历史上第一次观测到天体中的喷流。科学家认为,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,自然就形成了人类所能观测到的喷流。但是,科学家至今也没能非常明确地解释黑洞与喷流的关系,因此就需要通过观测来解开这个谜团。

2017年,EHT合作组织成功拍摄到了M87黑洞的照片。这张照片也是人类历史上的首张黑洞照片。照片显示M87黑洞长得像个“甜甜圈”,外面一圈亮环,围绕着中间的阴影。由于EHT的视场比较小,只能拍摄到黑洞的“特写照”,因此离黑洞稍远一些的喷流便没能进入这张照片。

如果能把黑洞和周围的环境都拍在同一张照片里,就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。

为了解决照片中黑洞与周围环境“失联”的问题,中国科学院上海天文台研究员路如森领导的、17个国家和地区的64家研究机构的121位科研人员参与的国际研究团队,决定给黑洞拍摄一张“全景照”。

三大望远镜在3.5毫米波段下联合“拍摄”

相较于EHT所拍的“特写照”,要拍黑洞的“全景照”必须要加大视场,并且分辨率也不能太低。研究团队想到了两种方案,在1.3毫米波段上尝试拍摄包括喷流在内的黑洞照片,或者索性切换到3.5毫米波段拍摄,但此前科学家普遍认为,用地球上的望远镜在3.5毫米波段观测不会看到黑洞“甜甜圈”。“当焦距拉长,视场就会变小,所以在1.3毫米波段,喷流等黑洞周围环境很难同时被观测到。”路如森说。研究团队最终选择了在3.5毫米波段下给黑洞拍照,因为在3.5毫米波段下喷流显示更亮。

由于降低了观测波段,更多望远镜加入了此次黑洞“全景照”的拍摄过程。新照片拍摄于2018年4月14日至15日,由14台望远镜组成的全球毫米波甚长基线干涉测量阵列(GMVA)、阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)和格陵兰望远镜(GLT)连在一起,组成了一台口径等效于地球直径的望远镜。

路如森强调,阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列和格陵兰望远镜的加入提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度,使得在3.5毫米波长下对M87黑洞周围的环状结构进行成像成为可能。

由于这是一张视场很大的图像,里面包含了许多成分,且这些成分的亮度差异很大,“洗照片”时科学家遇到了许多意外。阵列中的格陵兰望远镜还是一台新的望远镜,参与观测时还在调试阶段,其基于波导的相位旋转器被错误地配置,幸好科学家及时发现了这一问题,在数据处理时开发了特别的算法解决了这个问题。

通过汇聚全球各地的许多合作者的经验,在经历了长达5年的复杂数据处理和成图过程,以及反复验证和确认结果后,这张史无前例的黑洞“全景照”终于呈现在世人面前。

研究团队成功将M87黑洞的阴影以及其周围吸积流和喷流呈现在同一张照片之中。M87黑洞在3.5毫米波段的图像中也呈现“甜甜圈”形态,比此前EHT合作组织观测到的“甜甜圈”大了近50%,并且照片中可以看到从“甜甜圈”向远处延展的“尾巴”,这就是黑洞的喷流。

下一步,科学家还打算拍摄“彩色黑洞”甚至“黑洞电影”来进一步观测和研究黑洞。(科技日报 作者卢力媛 记者王春)

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