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圖1: 事件視界望遠鏡國際合作組織發(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點鐘方向，相對于2017年的結(jié)果沿逆時針方向偏轉(zhuǎn)了約30度。
（來源：事件視界望遠鏡國際合作組織）
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事件視界望遠鏡（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鏡陣列的性能由于格陵蘭望遠鏡參加以及數(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明亮的圓環(huán)，環(huán)的南部更明亮。對數(shù)據(jù)的進一步分析揭示了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)。
黑洞直接成像新紀元始于2017年對M87*觀測數(shù)據(jù)的廣泛分析。它打開了一個新窗口，讓我們能夠更直觀地研究黑洞天體物理，以及在基礎(chǔ)物理的層面驗證廣義相對論。理論模型認為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*的多次觀測將會提供對黑洞周圍等離子體和磁場結(jié)構(gòu)的獨立約束，進而幫助我們區(qū)分復(fù)雜的天體物理過程與廣義相對論效應(yīng)。
為了實現(xiàn)令人振奮的新科學(xué)目標，EHT一直在持續(xù)發(fā)展中。格陵蘭望遠鏡在北極圈深處建成5個月后，加入了2018年EHT的觀測。這個望遠鏡的加入改善了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)觀測和升級陣列，對于論證結(jié)果的可靠性和加強結(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)試驗平臺。
西班牙安達盧西亞天體物理學(xué)研究所（IAA-CSIC）的博士生Rohan Dahale表示：“推動科學(xué)進步需要不斷提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析技術(shù)。格陵蘭望遠鏡首次加入EHT陣列填補了這一地球大小望遠鏡的關(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中幾乎不會顯著增加，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。
“黑洞有個突出的特點，其半徑強烈依賴于一個物理量——它的質(zhì)量?！睆募又堇砉W(xué)院（Caltech）畢業(yè)，在噴氣推進實驗室做博士后的Nitika Yadlapalli Yurk博士說，“由于M87*吸積物質(zhì)較慢（吸積快會增加其質(zhì)量），廣義相對論告訴我們它的半徑將在整個人類歷史長河中保持相對不變。我們的數(shù)據(jù)證實了這一預(yù)言，真是令人激動！”
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)域沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)了約30度，處在環(huán)的右下部分，約在5點鐘方向。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)，實際上我們早在2019年首次公布結(jié)果時就預(yù)料到了?！敝袊_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)最亮的部分在一個方位附近擺動。擺動大小隨著時間的變化可以用來檢驗有關(guān)黑洞周圍磁場和等離子體環(huán)境的理論?！?/span>
在這個成果之前，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，而這個成果標志著開啟對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年成功地進行了觀測，并計劃在2024年上半年進行觀測。每一年，EHT陣列都在某方面進行了改進，包括增加新的望遠鏡、改進硬件，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，中國也在積極推進亞毫米波望遠鏡相關(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 中國科學(xué)院上海天文臺 zshen@shao.ac.cn
路如森 中國科學(xué)院上海天文臺 rslu@shao.ac.cn
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