還記得4年前發(fā)布的那張M87黑洞寫真照嗎，酷似一個“甜甜圈”。如今，經(jīng)過科學家的努力，黑洞有了全景照，從“甜甜圈”變成了“雞爪子”。
16臺射電望遠鏡連起來，組成了一臺口徑等效于地球直徑的望遠鏡。這是人類首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進行成像，可以說拍到了黑洞的全景照，乍一看像“雞爪子”。圖像表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系，相關(guān)成果近日在國際學術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
完成這項工作的，是由中國科學院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)銜的國際合作團隊，成員來自17個國家和地區(qū)、64家研究單位，共計121位。團隊中不乏一些80后、90后的身影，記者采訪了這個充滿朝氣的年輕團隊，聽聽他們給黑洞拍照背后的故事。
(資料圖片僅供參考)
“這是星際旅行中會看到的風景”
在這張最新的全景照上，有黑洞，有黑洞周圍的吸積流，還有從吸積盤附近延伸向遠處的噴流“尾巴”。M87黑洞在這張3.5毫米的圖像上，呈現(xiàn)出令研究者感到意外的“甜甜圈”形態(tài)，比此前那張在1.3毫米拍攝到的舊“甜甜圈”大了近50%。
“可以想象一下，假設(shè)我們在進行星際旅行，在朝著我們的主角M87黑洞前進，那這張照片呈現(xiàn)的，就是我們在旅程上所看到的風景?！闭撐牡谝蛔髡呗啡缟f。
新照片的拍攝時間是2018年4月14日至15日，被拍攝的對象M87黑洞，位于梅西耶87星系，即室女座星系團中央巨橢圓星系的中心，距離地球約5500萬光年，是太陽質(zhì)量的65億倍。它有著長達5000光年的噴流，“非常上相”。
“以前我們曾在單獨的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖?！甭啡缟f，“我們之前看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)在3.5毫米波長變得更大、更厚。這表明在新的圖像中，可以看到落入黑洞的物質(zhì)產(chǎn)生了額外的輻射。這使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程?！?/p>
據(jù)他介紹，黑洞周圍的物質(zhì)，被認為是在吸積的過程中落入黑洞的。在這之前，從來沒有人直接對它進行過成像。
這一回，參與拍攝的望遠鏡包括全球毫米波甚長基線干涉測量陣列(GMVA)的14臺射電望遠鏡，位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)，以及位于格陵蘭島的格陵蘭射電望遠鏡(GLT)。
據(jù)研究團隊介紹，GMVA測得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)直徑為64微角秒，相當于“月球上的宇航員回望地球時，看到一個13厘米的環(huán)形補光燈”的大小。
“觀測波長越短，觀測條件對天氣的要求就越高。每年的觀測時間都是相當有限的，觀測時間的申請也競爭得非常激烈，團隊要代表這個領(lǐng)域最前沿的水平?！敝袊茖W院上海天文臺副研究員江悟?qū)χ星鄨蟆ぶ星嗑W(wǎng)記者說。
江悟的工作是對觀測到的數(shù)據(jù)進行處理。據(jù)他介紹，拍照時需要全球范圍協(xié)同觀測，所以，要求所有臺站的觀測天氣觀測條件都合適，綜合考慮下來，最合適的時間通常是4月，“南北兩個半球都適宜”。
他告訴記者，在爭取到“巨無霸”級的望遠鏡ALMA加入觀測陣列后，整個團隊的人，都對拍攝結(jié)果“抱有很高期待”。
在對數(shù)據(jù)進行處理后，“前所未有的新特征”被呈現(xiàn)了出來，這讓研究團隊的成員都倍感興奮。在這之前，很多人認為在這個波長上不會看到“甜甜圈”。路如森承認，就連他自己也沒有想到。
“通過在GMVA觀測中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我們獲得了一個新的視角。我們確實看到了我們在早期VLBI觀測中了解到的三齒狀的噴流。”位于德國波恩的馬普射電天文研究所的托馬斯·克里奇鮑姆說，“現(xiàn)在我們可以看到噴流是如何從中央超大質(zhì)量黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的，而且我們現(xiàn)在也可以在另一個波段測量黑洞周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑?！?/p>
“要用物理學的方式來解釋‘甜甜圈’”
來自M87黑洞的射電輻射，是由高能電子和磁場的相互作用產(chǎn)生的，這種現(xiàn)象被稱為同步輻射。在3.5毫米波長，新的觀測結(jié)果揭示了有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細節(jié)。它們還告訴研究者一些關(guān)于黑洞本身的性質(zhì)：它不是“很餓”，消耗物質(zhì)的速度很低，只將其中一小部分轉(zhuǎn)化為輻射。
此外，在靠近黑洞的內(nèi)部區(qū)域，輻射的寬度比預期的要寬。這可能意味著黑洞周圍不僅僅有氣體落入，也可能“有一股風吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂”。
為了解這個更大、更厚的“亮環(huán)”的來源，研究者們不得不使用計算機模擬測試不同的情況，最終得出結(jié)論，“亮環(huán)的較大范圍與吸積流有關(guān)”。
在將“生數(shù)據(jù)”處理成“熟數(shù)據(jù)”的過程中，研究團隊前后做了4次相關(guān)分析，“克服來來回回返工的煎熬”，最終得到了最可靠的“熟數(shù)據(jù)”。
從“熟數(shù)據(jù)”重建觀測圖像，也遇到了“前所未有的挑戰(zhàn)”。新照片是一張視場很大的圖像，里面包含著許多成分，且這些成分的亮度差異很大。團隊匯聚了遍布全球各地許多合作者的經(jīng)驗，在各種嘗試和反復驗證之后，最終克服了這些困難。
陣列中的格陵蘭望遠鏡，是一臺新的射電望遠鏡，參與觀測時還在調(diào)試階段。在觀測過程中，這臺望遠鏡的相位旋轉(zhuǎn)器配置錯誤。團隊是在事后才發(fā)現(xiàn)這一問題，不得不在處理數(shù)據(jù)時，專門開發(fā)特別的算法來解決這個問題。
楊海是中國科學院上海天文臺團隊里最年輕的成員，他的工作就是用物理學的方式，“想辦法去解釋”觀測到的數(shù)據(jù)。他是一名90后，是黑洞吸積與高能天體物理研究組的一員，也是研究員袁峰的學生。
“我們得到黑洞噴流的運動速度、密度，還有旁邊磁場強度這些數(shù)據(jù)，然后用計算機模擬它到底長什么樣。最后思考它的理論模型怎么構(gòu)建，找出它的理論解釋?！睏詈χ星鄨蟆ぶ星嗑W(wǎng)記者說。
2014年，電影《星際穿越》上映時，一向?qū)苹酶信d趣的他坐在電影院里，面對大熒幕上模擬出來的黑洞深感震撼。當時的他并沒有預料到，沒過幾年，自己的工作會與黑洞息息相關(guān)。但對天文學、黑洞的興趣，于他而言卻一如既往。
作為該領(lǐng)域的“新手小白”，楊海跟隨老師們給黑洞拍照，在這個過程中，他難免緊張，在團隊的群里基本不用年輕人常用的那些表情包，也盡量不說時下流行的網(wǎng)絡(luò)語言。
不過在線下討論時，這位90后反而沒那么緊張了。他會大膽地提出自己的想法，然后認真聆聽老師們的意見，“告訴我這樣做好不好，是否值得花時間嘗試”。
從家到單位，楊海保持著兩點一線的生活，也保持著坐在基礎(chǔ)研究“冷板凳”上的耐心。偶爾他也會注意到，有同學畢業(yè)后進了技術(shù)類的公司，拿著比他高幾倍的工資。他的內(nèi)心并不會因此起太多波瀾，他認為，研究上能出成果，對他而言更加重要。
“將來我們還要給黑洞‘拍電影’”
用路如森的話說，后續(xù)的工作，還包括給M87黑洞“拍動畫”，甚至“拍電影”。
人類將目光投向M87，最早可以追溯到1781年。彼時，法國天文學家夏爾·梅西耶發(fā)表了著名的梅西耶星表，里面包含103個星云狀的天體。梅西耶以字母M加數(shù)字為這些天體命名，M87就是其中之一，其含義為“梅西耶星表中的第87個天體”。
然而直到100多年后，人類才意識到M87并不是星云，而是一個星系。天文學家看到“一束奇怪的直射線從一片朦朧的光斑中心發(fā)出”，那是人類歷史上第一次觀測到天體中的噴流。而事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)2017年成功拍攝到M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的照片，則又是一個世紀之后的事了。
人類對仰望星空的過程充滿好奇心，也歷盡艱辛，但從未停止。對M87的探索，也并沒有結(jié)束。
“此次展現(xiàn)的3.5毫米波長圖像，可以說代表了當前的最新成就。但為了揭示M87中央超大質(zhì)量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準直傳播的物理機制之謎，我們需要拍攝更多色的高質(zhì)量圖像，包括在0.8毫米或更短的亞毫米波波長的黑洞照片，以及在長至7.0毫米波長的黑洞和噴流的全景圖像，未來非常令人期待?！敝袊茖W院上海天文臺臺長沈志強研究員說。
進一步的觀測和更強大的射電望遠鏡陣列，將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。未來，毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變，并通過結(jié)合不同顏色的“射電光”圖像，來獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。
“這次我們用到的毫米波技術(shù)，在通信等領(lǐng)域，都是可以用上的；望遠鏡建造也涉及結(jié)構(gòu)、機械設(shè)計等方面的前沿技術(shù)，未來也可以轉(zhuǎn)化。從這個角度上說，我們現(xiàn)在做的很多工作，在促進科學應(yīng)用方面是有幫助的?！苯?qū)χ星鄨蟆ぶ星嗑W(wǎng)記者說。
江悟是一名從事科研工作10多年的80后，在他看來，基礎(chǔ)研究跟現(xiàn)實生活之間，往往是看上去沒什么關(guān)系，實際上只有基礎(chǔ)研究不斷往前推進，才能帶動最前沿、最先進的技術(shù)發(fā)展，并以此改進人類的生活生產(chǎn)方式。
江悟也曾參與首張黑洞照片的“拍攝”，如今又獲得了噴流整體圖像的新照片。他覺得，這些年的經(jīng)歷對他來說“很特殊”。
“我喜歡追究事物的本質(zhì)，更希望去進行基礎(chǔ)研究。”他對記者感慨，“如果我做的工作，能夠?qū)@個領(lǐng)域有一定的貢獻，還能取得一定的科學成果，這就是最讓我滿足的事了。”
中青報·中青網(wǎng)記者 張渺 來源：中國青年報
標簽：
