由中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究團隊利用在毫米波段開展的新觀測，首次對著名的射電星系Messier 87的黑洞陰影以及其周圍顯示落入中央黑洞的物質(zhì)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強大的相對論性噴流一同進行了成像。圖像首次表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系。此次的觀測結(jié)果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠鏡（GLT）獲得。這兩個觀測臺站的加入大大增強了GMVA的成像能力。相關(guān)成果發(fā)表在最新出版的國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。 　　  

　　“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖”，路如森說。黑洞周圍的物質(zhì)被認為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的，但是從來沒有人直接對它進行過成像?！拔覀冎翱吹降沫h(huán)狀結(jié)構(gòu)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(zhì)產(chǎn)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”，他補充說。 　　  

　　ALMA和GLT參與了此次GMVA的觀測，并由此提高了這個洲際望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度。這使得科學(xué)家首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進行了成像。GMVA測得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑為64微角秒，相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時看到的一個約13厘米（5英寸）的環(huán)形補光燈的大小。這個直徑比事件視界望遠鏡（EHT）此前在1.3毫米觀測中所看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)要大50%，符合對該區(qū)域相對論等離子體輻射的預(yù)期。 　　  

　　“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”，位于德國波恩的馬普射電天文研究所（MPIfR）的Thomas Krichbaum說。“但是，現(xiàn)在我們可以看到噴流是如何從中央超大質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的，而且我們現(xiàn)在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑。” 　　  

　　來自M87的射電輻射是由高能電子和磁場的相互作用產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測結(jié)果揭示了有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細節(jié)。它們還告訴科學(xué)家一些關(guān)于黑洞本身的性質(zhì)：它不是“很餓”。它消耗物質(zhì)的速度很低，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。中研院天文和天體物理研究所的Keiichi Asada解釋說：“為了了解這個更大、更厚的環(huán)的物理來源，我們不得不使用計算機模擬來測試不同的情況。最終我們得出結(jié)論，亮環(huán)的較大范圍與吸積流有關(guān)?！?/span> 　　  

　　日本國立天文臺的Kazuhiro Hada補充說：“我們還在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事情：在靠近黑洞的內(nèi)部區(qū)域，輻射的寬度比我們預(yù)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(fēng)’吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂?！?/span> 　  

　　對M87的探索并沒有結(jié)束，因為進一步的觀測和強大的望遠鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。韓國天文和空間科學(xué)研究所的Jongho Park說：“未來毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變并且將通過結(jié)合不同顏色的‘射電光’的圖像來獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。” 　　  

　　“此次展現(xiàn)的3.5毫米波長圖像可以說是代表了當(dāng)前的最新成就。但為了揭示M87中央超大質(zhì)量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機制之謎，我們需要拍攝更多色的高質(zhì)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”，上海天文臺臺長沈志強補充說。 　　  

　　此次3.5毫米成像觀測由全球毫米波VLBI陣列（GMVA）負責(zé)組織，參與觀測的16個望遠鏡分別為阿卡塔瑪大型毫米/亞毫米陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，簡稱ALMA），格陵蘭望遠鏡（Greenland telescope，簡稱GLT），IRAM 30米望遠鏡，Effelsberg 100米射電望遠鏡，Mets？hovi 14米射電望遠鏡，Onsala 20米射電望遠鏡，Yebes 40米射電望遠鏡，Green Bank 100米射電望遠鏡以及美國甚長基線干涉陣（VLBA）中可在3.5毫米觀測的8個25米射電望遠鏡（VLBA-BR，VLBA-FD，VLBA-KP，VLBA-LA，VLBA-MK，VLBA-NL，VLBA-OV，VLBA-PT）。 　　  

　　該研究由中國科學(xué)院上海天文臺路如森作為項目首席科學(xué)家，團隊由來自17個國家和地區(qū)、共64家研究單位的121位科研人員組成。 　　  

　　該突破性成果得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、德國馬普學(xué)會等方面的大力支持。 　　  

　　論文鏈接 

　　M87在3.5毫米波長所觀測到的圖像，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(jié)構(gòu)（內(nèi)嵌圖）。圖源：R.-S. Lu (SHAO), E. Ros (MPIfR),and S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)