近期,，一個由中國科學(xué)院上海天文臺牽頭的國際團(tuán)隊利用全球16個觀測臺站開展了對M87星系中心的聯(lián)合成像研究,，并在全新的頻段給M87黑洞及其周圍的環(huán)境拍攝了“全景照”。這標(biāo)志著天文學(xué)家朝著對黑洞進(jìn)行“多彩成像”的目標(biāo)邁出了重要一步,。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

科學(xué)家為什么要給黑洞拍照？黑洞的照片又是如何拍出來的,？讓我們一起來探秘這張黑洞“全景照”的拍攝過程。

“全景照”或有助破解黑洞謎團(tuán)

對于黑洞的研究可以讓我們深入了解空間和時間的本質(zhì),，對近鄰超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行成像研究是當(dāng)前天文研究的國際前沿?zé)狳c,。

此前,，天文學(xué)家已經(jīng)通過事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）分別于2019年和2022年對位于M87星系中心和人類所居的銀河系中心的兩個超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了成像。

M87黑洞重約65億倍太陽質(zhì)量,，是目前宇宙中已知質(zhì)量最大的黑洞之一,，而且距離地球僅有5500萬光年，是非常適合拍照研究的對象,。此外,，M87星系有著明亮的、長達(dá)5000光年的噴流,，M87黑洞正是該噴流的源頭,。

1918年，美國天文學(xué)家希伯·柯蒂斯首次觀測到M87星系的噴流,，這也是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流,。科學(xué)家認(rèn)為,，黑洞不僅在“吃”（吸積物質(zhì)）,，同時也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質(zhì)速度快,、方向性好,，自然就形成了人類所能觀測到的噴流。但是,，科學(xué)家至今也沒能非常明確地解釋黑洞與噴流的關(guān)系,，因此就需要通過觀測來解開這個謎團(tuán)。

2017年,，EHT合作組織成功拍攝到了M87黑洞的照片,。這張照片也是人類歷史上的首張黑洞照片。照片顯示M87黑洞長得像個“甜甜圈”,，外面一圈亮環(huán),，圍繞著中間的陰影。由于EHT的視場比較小,，只能拍攝到黑洞的“特寫照”,，因此離黑洞稍遠(yuǎn)一些的噴流便沒能進(jìn)入這張照片。

如果能把黑洞和周圍的環(huán)境都拍在同一張照片里,，就可以幫助我們理解黑洞附近的環(huán)境,，觀察黑洞周圍的物質(zhì)是如何繞轉(zhuǎn)、掉進(jìn)黑洞或被噴出的,，進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系,。

為了解決照片中黑洞與周圍環(huán)境“失聯(lián)”的問題，中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)導(dǎo)的,、17個國家和地區(qū)的64家研究機構(gòu)的121位科研人員參與的國際研究團(tuán)隊,，決定給黑洞拍攝一張“全景照”,。

三大望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米波段下聯(lián)合“拍攝”

相較于EHT所拍的“特寫照”，要拍黑洞的“全景照”必須要加大視場,，并且分辨率也不能太低,。研究團(tuán)隊想到了兩種方案，在1.3毫米波段上嘗試拍攝包括噴流在內(nèi)的黑洞照片,，或者索性切換到3.5毫米波段拍攝,，但此前科學(xué)家普遍認(rèn)為，用地球上的望遠(yuǎn)鏡在3.5毫米波段觀測不會看到黑洞“甜甜圈”,?！爱?dāng)焦距拉長，視場就會變小,，所以在1.3毫米波段,，噴流等黑洞周圍環(huán)境很難同時被觀測到?！甭啡缟f,。研究團(tuán)隊最終選擇了在3.5毫米波段下給黑洞拍照，因為在3.5毫米波段下噴流顯示更亮,。

由于降低了觀測波段,，更多望遠(yuǎn)鏡加入了此次黑洞“全景照”的拍攝過程。新照片拍攝于2018年4月14日至15日,，由14臺望遠(yuǎn)鏡組成的全球毫米波甚長基線干涉測量陣列（GMVA）,、阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT）連在一起，組成了一臺口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡,。

路如森強調(diào),，阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡的加入提高了這個洲際望遠(yuǎn)鏡陣列的分辨率和靈敏度，使得在3.5毫米波長下對M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像成為可能,。

由于這是一張視場很大的圖像,，里面包含了許多成分，且這些成分的亮度差異很大,，“洗照片”時科學(xué)家遇到了許多意外。陣列中的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡還是一臺新的望遠(yuǎn)鏡,，參與觀測時還在調(diào)試階段,，其基于波導(dǎo)的相位旋轉(zhuǎn)器被錯誤地配置，幸好科學(xué)家及時發(fā)現(xiàn)了這一問題,，在數(shù)據(jù)處理時開發(fā)了特別的算法解決了這個問題,。

通過匯聚全球各地的許多合作者的經(jīng)驗，在經(jīng)歷了長達(dá)5年的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和成圖過程,，以及反復(fù)驗證和確認(rèn)結(jié)果后,，這張史無前例的黑洞“全景照”終于呈現(xiàn)在世人面前,。

研究團(tuán)隊成功將M87黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中。M87黑洞在3.5毫米波段的圖像中也呈現(xiàn)“甜甜圈”形態(tài),，比此前EHT合作組織觀測到的“甜甜圈”大了近50%,，并且照片中可以看到從“甜甜圈”向遠(yuǎn)處延展的“尾巴”，這就是黑洞的噴流,。

下一步,，科學(xué)家還打算拍攝“彩色黑洞”甚至“黑洞電影”來進(jìn)一步觀測和研究黑洞。