盧力媛 科技日報記者 王春

近期，由中國科學院上海天文台牽頭的國際團隊，利用全球16個觀測台站，開展了對M87星係中心的聯合成像研究，在全新的頻段給M87黑洞及其周圍的環境拍攝了“全景照”。這一新進展標誌著天文學家朝著對黑洞進行“多彩成像”邁出了重要一步。相關研究成果於4月26日在國際學術期刊《自然》上在線發表。

科學家們為什麼要給黑洞拍照？又是如何拍出來？讓我們一起來探秘這張黑洞全景照的拍攝過程。

M87在3.5毫米波長所觀測到的圖像。中國科學院上海天文台供圖

為解黑洞百年謎團，科學家決定給它拍張全景照

研究黑洞可以讓我們深入了解空間和時間的本質
，對近鄰超大質量黑洞成像研究是當前天文研究的國際前沿熱點。

此前

，天文學家已經通過事件視界望遠鏡（EHT）國際合作，分別於2019年和2022年
，對位於M87星係中心和人類所居的銀河係中心的兩個超大質量黑洞進行了成像。

M87黑洞重量約是65億倍的太陽質量，是目前宇宙中所知質量最大的黑洞之一，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星係有著明亮的長達5000光年的噴流，M87黑洞正是噴流的源頭。

M87黑洞的噴流與吸積盤的示意圖。中國科學院上海天文台供圖

1918年
，美國天文學家希伯·柯蒂斯首次觀測到M87的噴流
，也是人類曆史上第一次觀測到天體中的噴流。理論學家認為
，黑洞不僅在“吃”（吸積物質），同時也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物質速度快、方fang向xiang性xing好hao
，自zi然ran就jiu形xing成cheng了le所suo觀guan測ce到dao的de噴pen流liu。但dan是shi，理li論lun學xue家jia至zhi今jin也ye沒mei能neng夠gou非fei常chang明ming確que地di解jie釋shi好hao黑hei洞dong與yu噴pen流liu的de關guan係xi，隻zhi有you通tong過guo觀guan測ce工gong作zuo來lai解jie開kai這zhe個ge謎mi團tuan。

2017年


，EHT成功拍攝到了M87黑洞的照片。這張照片也是人類曆史上的首張黑洞照片。照片顯示M87黑洞長得像個“甜甜圈”
，外麵一圈亮環，圍繞著中間的陰影。由於EHT的視場比較小，隻能拍攝到黑洞的“特寫”照片，離黑洞稍遠一些的噴流沒能進入鏡頭。

如果能把黑洞和周圍的環境都拍在同一張照片裏
，就可以幫助我們理解黑洞附近的環境
，觀察黑洞周圍的物質是如何繞轉、掉進黑洞或被噴出的，進而研究黑洞和噴流的關係。

為了解決黑洞與周圍環境“失聯”的問題，中國科學院上海天文台路如森研究員領銜一個由來自17個國家和地區的64家研究機構的121位科研人員參與的國際研究團隊決定給黑洞拍攝一張全景照。

顛覆性探索
，突破拍攝瓶頸

相較於EHT拍的特寫照，要拍全景照必須要加大視場，並且分辨率也不能太低。研究團隊想到兩種方案，要麼在1.3毫米波段上嚐試拍攝噴流在內的黑洞照片，要麼索性切換到3.5毫米波段拍攝。“當焦距拉長，視場就會變小
，所以
，在1.3毫米波段，噴流等黑洞周圍環境很難同時被觀測到。”路如森解釋

，研究團隊的科學家們最終選擇了在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
、望遠鏡的陣列也能更大。

這可謂是一次顛覆性的探索，因為此前人們普遍認為
，用地球上的望遠鏡在3.5毫米觀測波長上不會看到“甜甜圈”，但路如森堅信3.5毫米可以拍到“甜甜圈”。他這一大膽的嚐試使得中國天文學家有機會領銜了此次最新的觀測與發現。

由於降低了觀測波段，更多望遠鏡加入了此次黑洞“全景”的拍攝。新照片攝於2018年4月14日至15日
，由14台望遠鏡組成的全球毫米波甚長基線幹涉測量（VLBI）陣列（GMVA）
、阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）和格陵蘭望遠鏡（GLT）連在一起，組成了一台口徑等效於地球直徑的望遠鏡。

本次拍攝將16台射電望遠鏡連起來，組成一台口徑等效於地球直徑的望遠鏡。中國科學院上海天文台供圖

路如森強調
，ALMA和GLT的加入提高了這個洲際望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度

，使得在3.5毫米波長下對M87黑洞周圍的環狀結構進行成像成為可能。

由(you)於(yu)這(zhe)是(shi)一(yi)張(zhang)視(shi)場(chang)很(hen)大(da)的(de)圖(tu)像(xiang)
，裏(li)麵(mian)包(bao)含(han)許(xu)多(duo)成(cheng)分(fen)，且(qie)這(zhe)些(xie)成(cheng)分(fen)的(de)亮(liang)度(du)差(cha)異(yi)很(hen)大(da)
，洗(xi)照(zhao)片(pian)時(shi)科(ke)學(xue)家(jia)們(men)遇(yu)到(dao)了(le)許(xu)多(duo)意(yi)外(wai)。陣(zhen)列(lie)中(zhong)的(de)格(ge)陵(ling)蘭(lan)望(wang)遠(yuan)鏡(jing)還(hai)是(shi)一(yi)台(tai)新(xin)的(de)望(wang)遠(yuan)鏡(jing)
，參(can)與(yu)觀(guan)測(ce)時(shi)還(hai)在(zai)調(tiao)試(shi)階(jie)段(duan)

，其(qi)基(ji)於(yu)波(bo)導(dao)的(de)相(xiang)位(wei)旋(xuan)轉(zhuan)器(qi)被(bei)錯(cuo)誤(wu)地(di)配(pei)置(zhi)

，幸(xing)好(hao)科(ke)學(xue)家(jia)及(ji)時(shi)發(fa)現(xian)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)，在(zai)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)時(shi)開(kai)發(fa)了(le)特(te)別(bie)的(de)算(suan)法(fa)解(jie)決(jue)了(le)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)。此(ci)外(wai)，還(hai)遇(yu)到(dao)了(le)“生數據”處理成“熟數據”來回返工
，“熟數據”重建觀測圖像難等問題。

tongguohuijubianbuquanqiugedidexuduohezuozhedejingyan
，zaichangdawuniandefuzashujuchulihechengtuguocheng，yijifanfuyanzhenghequerenjieguohou，zhezhangshiwuqianlidexintuxiangzhongyuchengxianzaishirenmianqian。M87黑洞在3.5毫米的圖像也呈現“甜甜圈”形態
，比此前EHT觀測到的“甜甜圈”大了近50%。

下一步，科學家們還打算拍攝“彩色黑洞”甚至“黑洞電影”來進一步觀測和研究黑洞。據悉，上海天文台已於2021年提出，建設綜合性能達到國際先進水平的15米口徑亞毫米波天文研究望遠鏡，目前已啟動5米口徑的原型機研製
，並在西藏地區開展了初步選址工作。針對黑洞多彩成像，上海天文台還啟動了天馬望遠鏡三頻觀測模式的研製。