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圖1: 事件視界望遠(yuǎn)鏡國際合作組織發(fā)布的在2018年4月拍攝的M87*新照片（右圖）。與2017年4月的首次觀測相比，新“成員”格陵蘭望遠(yuǎn)鏡加入到2018年的觀測陣列中。2018年的黑洞照片和2017年的首張照片（左圖，2019年4月10日發(fā)布）很相似，都呈現(xiàn)出一個(gè)中間暗、周圍亮的“甜甜圈”形狀，且大小相同。稍稍不同的是，2018年最亮的部分出現(xiàn)在5點(diǎn)鐘方向，相對于2017年的結(jié)果沿逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)了約30度。
（來源：事件視界望遠(yuǎn)鏡國際合作組織）
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事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際合作組織發(fā)布了2018年4月拍攝的位于橢圓星系梅西耶 87中心的超大質(zhì)量黑洞(M87*)的新照片。本次拍攝所使用的望遠(yuǎn)鏡陣列的性能由于格陵蘭望遠(yuǎn)鏡參加以及數(shù)據(jù)記錄帶寬的增加而得到大大提升。這是繼2017年拍攝首張黑洞照片之后，對M87*的又一次獨(dú)立成像。新發(fā)布的黑洞照片與2017年的照片相似，呈現(xiàn)出大小相同的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。明亮的環(huán)中間存在一個(gè)很深的暗影，即廣義相對論預(yù)言的“黑洞陰影”。與2017年的照片相比，環(huán)的最亮部分沿著逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)了約30度，這可能是由黑洞周圍湍流物質(zhì)變化引起的。此成果于2024年1月18日發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上。 ??
中國臺(tái)灣天文及天文物理研究所的研究員Keiichi Asada博士表示：“科學(xué)的基本要求之一是結(jié)果能夠被重現(xiàn)。我們通過全新的觀測數(shù)據(jù)確認(rèn)了環(huán)的存在，這不僅是我們國際合作的重要里程碑，也更有力地證明我們確實(shí)看到的是黑洞陰影以及它周圍高速繞轉(zhuǎn)的物質(zhì)?！?/span>
2017年EHT拍攝到了首張黑洞照片。照片主角M87*是巨大橢圓星系梅西耶87的核心，距離地球5500萬光年。黑洞照片顯示出一個(gè)明亮的圓環(huán)，環(huán)的南部更明亮。對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析揭示了M87*在偏振光下的結(jié)構(gòu)，使我們得以深入窺見黑洞周圍磁場的幾何構(gòu)型和等離子體的性質(zhì)。
黑洞直接成像新紀(jì)元始于2017年對M87*觀測數(shù)據(jù)的廣泛分析。它打開了一個(gè)新窗口，讓我們能夠更直觀地研究黑洞天體物理，以及在基礎(chǔ)物理的層面驗(yàn)證廣義相對論。理論模型認(rèn)為M87*周圍物質(zhì)的狀態(tài)在2017年和2018年沒有相關(guān)性。因此，對M87*的多次觀測將會(huì)提供對黑洞周圍等離子體和磁場結(jié)構(gòu)的獨(dú)立約束，進(jìn)而幫助我們區(qū)分復(fù)雜的天體物理過程與廣義相對論效應(yīng)。
為了實(shí)現(xiàn)令人振奮的新科學(xué)目標(biāo)，EHT一直在持續(xù)發(fā)展中。格陵蘭望遠(yuǎn)鏡在北極圈深處建成5個(gè)月后，加入了2018年EHT的觀測。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的加入改善了EHT陣列在南北方向的空間采樣，顯著提高了黑洞成像的可靠性。LMT大型毫米波望遠(yuǎn)鏡也首次以其完整的50米全口徑參與，大幅提高了觀測的靈敏度。相比于2017年觀測，EHT陣列還將數(shù)據(jù)記錄帶寬增加了一倍。
重復(fù)觀測和升級(jí)陣列，對于論證結(jié)果的可靠性和加強(qiáng)結(jié)果的可信度至關(guān)重要。除了在科學(xué)上的開創(chuàng)外，EHT還是高頻射電干涉測量領(lǐng)域前沿的技術(shù)開發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)。
西班牙安達(dá)盧西亞天體物理學(xué)研究所（IAA-CSIC）的博士生Rohan Dahale表示：“推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步需要不斷提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析技術(shù)。格陵蘭望遠(yuǎn)鏡首次加入EHT陣列填補(bǔ)了這一地球大小望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵空白。2021年、2022年以及即將到來的2024年觀測見證了事件視界望遠(yuǎn)鏡陣列的不斷成長，激發(fā)著我們探索黑洞天體物理學(xué)前沿的研究熱情?！?/span>
2018年數(shù)據(jù)的分析采用了八種獨(dú)立的成像和建模技術(shù)，包括先前對M87*2017年數(shù)據(jù)的分析方法，以及后來合作組基于Sgr A*數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的新方法。
2018年拍攝的M87*照片與2017年拍攝的結(jié)果極其相似。我們能看到一個(gè)相同大小的亮環(huán)，其中心區(qū)域較暗，環(huán)的一側(cè)亮于另一側(cè)。由于M87*的質(zhì)量和距離在人的一生當(dāng)中幾乎不會(huì)顯著增加，所以廣義相對論預(yù)言環(huán)的直徑應(yīng)該年復(fù)一年地保持不變。2017年到2018年，從圖像測出的直徑穩(wěn)定不變，有力地支持了這一結(jié)論，即M87*符合廣義相對論的描述。
“黑洞有個(gè)突出的特點(diǎn)，其半徑強(qiáng)烈依賴于一個(gè)物理量——它的質(zhì)量?！睆募又堇砉W(xué)院（Caltech）畢業(yè)，在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做博士后的Nitika Yadlapalli Yurk博士說，“由于M87*吸積物質(zhì)較慢（吸積快會(huì)增加其質(zhì)量），廣義相對論告訴我們它的半徑將在整個(gè)人類歷史長河中保持相對不變。我們的數(shù)據(jù)證實(shí)了這一預(yù)言，真是令人激動(dòng)！”
雖然黑洞陰影的大小在2017年和2018年之間沒有變化，但環(huán)的最亮區(qū)域的位置發(fā)生了顯著變化。最亮區(qū)域沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)了約30度，處在環(huán)的右下部分，約在5點(diǎn)鐘方向。M87*的歷史數(shù)據(jù)也推斷黑洞陰影的結(jié)構(gòu)可能每年都在變化（Wielgus 2020, ApJ, 901, 67），但這一結(jié)果基于靈敏度較低且望遠(yuǎn)鏡較少的EHT陣列觀測數(shù)據(jù)，因而精度較低。與2017年的結(jié)果相比，雖然2018年的EHT陣列仍無法觀測到M87*的噴流，但從環(huán)最亮區(qū)域位置預(yù)測的黑洞自轉(zhuǎn)軸與在低頻波段觀測到的噴流方向更一致。
“最大的變化，也就是環(huán)上最亮的部位發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)際上我們早在2019年首次公布結(jié)果時(shí)就預(yù)料到了?！敝袊_(tái)灣天文及天文物理研究所的博士后研究員Britt Jeter博士說，“盡管廣義相對論下環(huán)的大小應(yīng)該完美地保持不變，但黑洞周圍湍動(dòng)的、雜亂的吸積流發(fā)出的輻射將導(dǎo)致環(huán)最亮的部分在一個(gè)方位附近擺動(dòng)。擺動(dòng)大小隨著時(shí)間的變化可以用來檢驗(yàn)有關(guān)黑洞周圍磁場和等離子體環(huán)境的理論。”
在這個(gè)成果之前，所有EHT發(fā)表的論文都僅僅是基于我們對2017年首次成像觀測的分析，而這個(gè)成果標(biāo)志著開啟對2017年后多年EHT觀測數(shù)據(jù)的探索和分析。除了2017年和2018年外，EHT還連續(xù)在2021年和2022年成功地進(jìn)行了觀測，并計(jì)劃在2024年上半年進(jìn)行觀測。每一年，EHT陣列都在某方面進(jìn)行了改進(jìn)，包括增加新的望遠(yuǎn)鏡、改進(jìn)硬件，還有增加新的觀測頻段。合作組成員，包括持續(xù)參與的中國大陸十余位科學(xué)家正在努力分析所有這些數(shù)據(jù)。同時(shí)，中國也在積極推進(jìn)亞毫米波望遠(yuǎn)鏡相關(guān)設(shè)施建設(shè)和技術(shù)發(fā)展。敬請期待將來更多新的結(jié)果和新的發(fā)現(xiàn)。
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科學(xué)聯(lián)系人：
沈志強(qiáng) 中國科學(xué)院上海天文臺(tái) zshen@shao.ac.cn
路如森 中國科學(xué)院上海天文臺(tái) rslu@shao.ac.cn
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