黑洞多波段“指纹”被成功捕获

昨天，全球19台望远镜(阵)对M87星系中央超大质量黑洞(首张黑洞照片主角)的观测数据向全世界公开。

发表在《天体物理学杂志通讯》的这些数据，将极大地加深对这个黑洞中央引擎及其系统的理解，并提升对爱因斯坦广义相对论的检验。这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流的频率覆盖最广的同步观测。

中国科学院上海天文台研究员沈志强领衔天马望远镜团队，参加了2017年3月至5月的事件视界望远镜(EHT)同步多波段VLBI国际联测及后续数据分析等工作，做出了“上海贡献”。

为黑洞成像流量校准做出贡献

2019年4月，科学家发布了有史以来第一张黑洞照片。这一卓越成就是通过事件视界望远镜于2017年4月对M87星系中心超大质量黑洞的观测获得的。

这仅仅是这个科学故事的开始。“M87黑洞太神奇了，它喷流的辐射覆盖了整个电磁波谱，从无线电波到可见光再到伽马射线。”上海天文台副研究员江悟说，对每个黑洞而言，其在各电磁波段的辐射特征各不相同。通过收集这些辐射的“指纹”可以加深人们对黑洞性质的了解，但面临的一个挑战是这些不同频率的辐射特征往往是随着时间变化的。

因此，全球科学家通过协调包括地面和空间最先进的望远镜，在对M87的事件视界望远镜观测期间同步收集到了整个电磁波谱范围内的辐射，这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流的频率覆盖最广的同步观测。

上海天马望远镜参与了2017年5月9日的欧洲VLBI网(EVN)170mm观测，并贡献了最高分辨率基线。同时，作为东亚地区灵敏度最高的长毫米波射电望远镜，天马望远镜全程参与了2017年3月至5月期间东亚VLBI网(EAVN)在13mm和7mm对M87共16次事件视界望远镜协同观测，有效接收面积大于其他毫米波VLBI台站的总和，把东亚VLBI网成图质量提高了50%，为M87黑洞成像的流量校准做出了贡献。这也是国内射电望远镜在7mm工作波长首次成功参加国际VLBI联合观测。

数据有助于充分理解黑洞照片

向全世界公开的M87黑洞观测数据可以用来做什么呢?

“这些新数据有助于充分理解首张黑洞的照片。”沈志强研究员说。研究结果表明，当时M87超大质量黑洞周围物质产生的辐射强度处于有观测记录以来最低水平，这为看黑洞的“阴影”提供了理想条件。

这些新数据也将有助于解决最具挑战性的问题。“科学家计划使用这些数据来改进2017年黑洞图像对爱因斯坦广义相对论的检验。”上海天文台博士后赵杉杉说。

“今天发布的数据还部分解决了宇宙线的起源问题。”沈志强说。宇宙线是不断轰击地球的高能粒子，它们的能量比地球上最强大的大型强子对撞机产生的能量还要高一百万倍。宇宙线最有可能起源于此次发布的图像上显示的黑洞喷流，但这些高能粒子是在哪里被加速的，仍有许多疑问。黑洞周围热气体中的粒子相互碰撞会产生宇宙线，其中最高能波段的伽马射线可以用来推断粒子加速的区域。最新研究表明，至少2017年的观测数据支持这些伽马射线不是在事件视界附近产生的。解决这一争论的关键是将其与2018年的数据以及本月正在观测采集的新数据进行比较。

事件视界望远镜观测再次进行

来自32个国家或地区近200个科研机构的760名科学家和工程师组成的团队，使用19台望远镜(阵)，参与了此次观测。每台望远镜都为距离地球约5500万光年的M87黑洞提供了有关其物理行为和影响的独特信息。

这些观测数据与当前和未来的事件视界望远镜观测相结合，可以让科学家对天体物理学的一些最重要和最具挑战性的研究领域进行分析。

阿姆斯特丹大学的合作者塞拉·马尔科夫说：“粒子的加速机制是我们理解黑洞照片和喷流的关键。喷流将黑洞释放的能量运送到远比宿主星系尺度还要大许多的地方，就像一根巨大的能量传送带。这些数据将帮助我们估算携带的能量以及黑洞的喷流对其环境的反馈。”

这批新数据的公开恰逢事件视界望远镜的2021年观测，这还是自2018年以来的首次观测。2020年，原本计划的观测由于突如其来的新冠疫情而被迫取消，而2019年的观测则由于未曾预料的技术问题和恶劣的天气原因被迫叫停。从本月上周开始，天文学家再一次用6天开展对M87黑洞、银河系中心超大质量黑洞(Sgr A*)以及另外若干遥远黑洞的事件视界望远镜观测。与2017年相比，该阵列新增了3台望远镜——格陵兰望远镜、基特峰12米望远镜和北方扩展毫米波阵列。耶鲁大学的合作者米斯拉夫·巴洛科维奇说：“许多新的令人兴奋的结果将露出端倪。”

“天马望远镜今年参与的东亚VLBI网联测目前正在进行中。”上海天文台研究员刘庆会表示：“未来，上海的天马望远镜仍将积极参与到这类国际合作中，对包括M87黑洞在内的更多黑洞天体进行观测。”