M87星系黑洞喷流与阴影首次合影：中国团队毫米波段新发现
中科院上海天文台研究员卢如深带领的国际研究团队在毫米波波段对黑洞进行了新观测，首次拍摄到黑洞阴影和强大喷流的“照片”。相关成果发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。
研究人员首次以 3.5 毫米的波长对 M87 星系中心超大质量黑洞 (M87*) 周围的环状结构进行了成像。他们观察到，黑洞在 3.5 毫米图像中也呈现出“甜甜圈”形状，比之前“事件视界”在 1.3 毫米“望远镜”处观察到的“甜甜圈”大了近 50%，而且看到从“甜甜圈”向远处延伸的“尾巴”，那是黑洞的喷流。
什么是黑洞？什么是急流？黑洞和喷流之间有什么关系？如果我们掉进黑洞会发生什么？为什么要拍摄 M87* 黑洞的照片？这张新照片与人类首张黑洞照片有什么区别？为什么人类第一张黑洞照片没有拍到“尾巴”？未来还有哪些黑洞“摄影”计划？中国科学院上海天文台赵珊珊博士、卢如申研究员、黄磊副研究员、彭思佳博士就32个相关问题作出如下解答。
从黑洞“特写”到黑洞“全景”
1.M87*是如何观测的？
1781年，法国天文学家查尔斯·梅西耶出版了著名的《梅西耶星表》，其中包含103个星云天体，并用字母M加数字来命名这些天体。 M87就是其中之一，意思是梅西耶星表中的第87个天体。
1918年，美国天文学家赫伯·柯蒂斯首次观测到M87喷流，这也是人类历史上首次观测到天体中的喷流。他看到“一道奇怪的直线射线从一片朦胧的光斑中心发出”。后来，随着对宇宙认识的扩大，人们逐渐认识到M87并不是星云，而是星系。
1947年，观测到M87所在位置的一个射电源，并将其命名为Virgo A。后来证实，Virgo A发出的无线电信号来自M87。于是，M87成为了著名的射电星系，吸引了无数射电望远镜的关注。
M87 星系中心超大质量黑洞 (M87*) 的图像。上图为2017年4月11日的图像，下三图为M87*于2017年4月5日、6日、10日的图像。
2017年，口径相当于地球直径的射电望远镜事件视界望远镜（Event，EHT）成功拍摄到了M87星系中心的超大质量黑洞（M87*）的照片。这张照片也是人类历史上第一张黑洞照片。照片显示，M87*看起来像一个“甜甜圈”，外面有一个明亮的环，中间有一个阴影。
2.M87*离我们有多远？
M87* 位于梅西耶 87 星系的中心，这是处女座星团中心的巨大椭圆星系，距离地球约 5500 万光年。
3.M87*的重量是多少？
大约是太阳质量的65亿倍。
4.M87*有多大？
根据M87*的质量，可以估计其黑洞事件视界的直径约为400亿公里（作为比较，冥王星到太阳的距离为58亿公里）。 EHT看到的环比EHT看到的环大2.5倍，这次观察到的环比EHT看到的环大50%。这表明M87*的大小取决于望远镜观测的频率。
5.M87*的（平均）密度是多少？
黑洞密度的概念很难定义，因为我们无法知道黑洞的大小。用事件视界的半径来衡量黑洞的大小显然是不合适的。事件视界只是光无法逃逸的临界点，而不是黑洞的边界。当然，我们也可以暂时用事件视界的大小来估计M87*的密度。这个密度小得出奇，相当于地球上空气的密度。另外一个我们熟悉的黑洞：银心黑洞，虽然它的质量只有400万个太阳质量，但是它的密度却相当大，大约是水密度的1万倍，是太阳核心密度的60倍。我们知道，黑洞事件视界的直径与质量成正比，体积是直径的立方。根据密度等于质量除以体积的定义，我们会发现黑洞的密度与质量的平方成反比。换句话说，黑洞的质量越大，密度就越小。
6. 在这次观察中你看到了什么？
这次观测是首次在同一张照片中呈现M87黑洞的阴影及其周围的吸积流和喷流。
3.5毫米处的M87黑洞观测图像也呈现出“甜甜圈”形状，比之前EHT观测到的1.3毫米处的“甜甜圈”大了近50%。而且你可以看到“尾巴”延伸到远离“甜甜圈”的地方，这就是黑洞的喷流。
左为2019年4月10日发布的人类历史上第一张黑洞照片，右为2023年4月26日发布的同一黑洞照片。环结构在3.5毫米波长处变得更大、更厚。
7. 这个观察结果是否颠覆了之前的知识？
此前人们认为使用地球上的望远镜在3.5毫米观测波长下是看不到这个“甜甜圈”的，但这次观测确实看到了一个比之前想象的更大的“甜甜圈”，它来自黑洞。周围的吸积流。
8. 这一观察结果能否揭示M87*是如何形成的？
目前我们认为恒星质量黑洞是由大质量恒星在演化后期塌陷形成的，但星系中心的超大质量黑洞是如何形成的仍然是个谜。
M87*已发展到稳定阶段。科学家们利用EHT观测和其他多波段观测数据获得的许多局限性来研究黑洞及其周围环境的现状，但仍然无法回答有关黑洞形成阶段的问题。
9. 这次拍摄的照片与EHT拍摄的照片有什么不同？
EHT拍摄的照片是黑洞的“特写”，显示出围绕中间阴影的明亮环。这次我们捕捉到了黑洞的“全景”。在这张照片中，有黑洞、黑洞周围的吸积流以及从盘附近延伸到远处的喷流。这张照片作为EHT照片的延伸，充分展示了黑洞与其周围环境的关系。
10. 为什么在两个不同频率的观测中可以看到相似的环结构？
在不同频率下观察到的电磁辐射来自黑洞附近的物质。一方面，这些材料本身可能是环形的，例如围绕黑洞高速旋转的圆盘，或者中间较暗、边缘较亮的喷流。另一方面，黑洞附近弯曲的时空会导致光线在逃逸前发生弯曲甚至绕黑洞转数圈（引力透镜效应），也会形成明亮的光环。观测到的光环可能是多种因素共同作用的结果，但不同频率的观测结果中这些因素所占的比例有所不同。采用不同的模型进行解释后，这次观测到的环更有可能是由黑洞吸积流发出的光形成的。
11.为什么EHT拍摄的照片中没有看到这次拍摄到的喷气机？
一方面，EHT的视场比较小，只能拍摄黑洞的“特写”照片。距离黑洞稍远的射流无法进入透镜。这次拍摄所用的望远镜的视场比EHT大得多。它可以看到黑洞周围的发光物质和喷流。另一方面，射流的亮度随观察波长的变化而变化。在本次观察中使用的 3.5 mm 观察波长处，射流较亮，但在 EHT 使用的 1.3 mm 观察波长处，射流稍暗。这也可能是EHT没有捕捉到喷流的原因。
12.M87*和银河系黑洞（Sgr A*）有什么区别？
M87* 是宇宙中已知质量最大的黑洞之一，质量约为太阳的 65 亿倍。它位于梅西耶87星系的中心，梅西耶87星系是室女座星系团中心的巨大椭圆星系，距离地球约5500万光年。 M87 星系中心的黑洞驱动强大的喷流，其速度接近光速，并延伸到星系之外。
相比之下，A*中士看起来就普通多了。它位于我们居住的螺旋星系（银河系）的中心，距离地球仅27000光年。 Sgr A*没有明显的喷流，而且比M87*小得多，大约只有太阳质量的400万倍。
13. 你能拍摄 SgrA* 的喷流吗？
自 1974 年探测到 Sgr A* 以来，一直没有看到清晰可见的喷流。如果说有什么不同的话，那就是它一定比 M87* 的喷射流要暗得多。这个问题留待未来更好的观察来回答。
此外，拍摄SgrA*喷流还需要克服银河系星际介质散射的影响。散射效应会使图像模糊，观察波长越长，模糊效应越强。如果使用本次观测中使用的3.5毫米波长来拍摄SgrA*，强烈的散射效应会破坏其自身的结构，你会看到一个模糊的质量块。
从 8 个望远镜到 16 个望远镜
14.这次拍摄使用了哪些望远镜？
在这次拍摄中，16个射电望远镜连接起来，组成了一个直径相当于地球直径的望远镜。它们分别是全球毫米波阵列（mm-VLBI阵列，GMVA）、智利阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）和格陵兰岛格陵兰望远镜（ ）的14座望远镜。 ，GLT）。
在这次拍摄中，16个射电望远镜连接起来，组成了一个直径相当于地球直径的望远镜。
其中，GMVA的14座望远镜包括美国甚长基阵（VLBA）、美国绿岸射电望远镜（GBT）和德国艾菲尔斯堡望远镜（Radio）的8座望远镜。 、瑞典天文台（太空）、西班牙Pico IRAM 30米射电望远镜和Yebes 40米射电望远镜以及芬兰Metsähovi望远镜。
15. 为什么要拍摄M87*的照片？
M87*距离地球仅5500万光年，其质量非常可观（太阳质量的65亿倍），这使得它在天平面上显得非常大，成为非常适合摄影的天体学习。 M87星系有一个长达5000光年的明亮喷流，M87*就是喷流的源头。因此，拍摄M87*的照片可以帮助我们了解黑洞附近的环境，观察黑洞周围的物质如何旋转、落入黑洞、或者被喷射，进而研究黑洞与喷流的关系。
16. 拍摄时用到的关键技术有哪些？
摄影中使用的关键技术是甚长基线干涉测量（VLBI）技术。利用这项技术，分布在世界各地的望远镜可以组成环绕地球的干涉阵列，收集来自宇宙的信号。 EHT拍摄黑洞照片所使用的关键技术也是VLBI。
干涉测量是一种观察电磁辐射干涉效应的技术，电磁辐射是由光源与其自身的相干性引起的。由于相同的电磁辐射在不同时间到达每个望远镜，因此不同望远镜接收到的信号可以关联在一起以执行干涉测量。与单个望远镜的直接摄影不同，干涉测量图像需要从多个望远镜收集数据进行相关处理，然后根据处理后的数据重建天体图像。
VLBI 是一种在相距极远的望远镜之间进行干涉测量的方法。每两台望远镜形成一条基线，它们之间的距离就是基线长度。基线长度越长，观察的分辨率就越好。因此，VLBI技术将世界各地的望远镜结合在一起，形成了分辨率远远超过单一望远镜的超级望远镜。使用VLBI技术拍摄天体照片时，望远镜的数量和分布非常有讲究。一般来说，涉及的望远镜越多，望远镜在地球上的分布越均匀，结果就越好。此次观测依靠VLBI技术结合了16台望远镜。望远镜的数量和分布比之前的观测有了很大的改善，因此能够成功捕捉到这张前所未有的清晰图像。
17. 这个合作项目的国际化程度如何？
这个由中国学者牵头的国际合作项目有来自17个国家和地区的121名成员、64家研究机构。
18. 这张新照片是什么时候拍摄的？过程中有哪些有趣的事情？
这张新照片拍摄于2018年4月14日至15日之间。
自从“巨无霸”望远镜ALMA确定加入观测阵列以来，大家对拍摄结果抱有很高的期待。在对数据进行初步处理后，我们注意到数据中出现了前所未有的新特征，这对团队成员来说非常有动力。经过复杂的数据处理和测绘过程，以及对结果的反复验证和确认，这张前所未有的新图像终于在五年后得以呈现。
19.这张新照片的冲洗过程中克服了哪些困难？
首先，我们在拍摄过程中遇到了很多意想不到的情况。例如，阵列中的格陵兰望远镜是一台新望远镜，参与观测时仍处于调试阶段。在观察过程中，其基于波导的相位旋转器配置错误。我们后来发现了这个问题，并在数据处理过程中开发了一种特殊的算法来解决这个问题。
其次，在将“原始数据”加工成“成熟数据”的过程中，我们在VLBI分析中进行了四次“互相关处理”（cross-）和相应的“相关后处理”（post-）分析。我们克服了来回返工的折磨，得到了最可靠的“熟数据”。
最后，从“熟数据”重建观测图像也遇到了前所未有的挑战。困难在于这是一张大视野的图像。图像包含很多成分，并且这些成分的亮度变化很大。通过汇集全球众多合作者的经验，经过各种尝试和反复验证，我们终于克服了这些困难。
20、在观测设备方面，本次观测与EHT有何不同？
这一观察结果与 EHT 之间有两个不同之处。首先，本次观察的观察波长为3.5mm，而EHT的观察波长为1.3mm；其次，这次观测结合了16个望远镜，而EHT观测结合了8个望远镜。
21. 下一个目标是什么？
下一个目标是用 EHT 拍摄“彩色黑洞”。所谓“颜色”，就是在不同的观测波长下拍摄黑洞的照片。我们将拍摄更清晰的3.5毫米照片，结合未来EHT拍摄的更清晰的1.3毫米照片、未来下一代EHT拍摄的0.8毫米照片以及VLBI在更遥远的未来空间拍摄的更短波长的照片，我们可以得到一个“彩色照片”。黑洞的照片”。由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程，因此与“单色黑洞”相比，“彩色黑洞”将为我们提供更多信息，帮助我们更好地了解黑洞本身以及它和黑洞。它的周围环境。关系。
另一个目标是拍摄“动态黑洞”。黑洞不是静态的。它无时无刻不在与周围的环境相互作用，所以当你在不同的时间看它时，它看起来会有所不同。拍摄“动态黑洞”将解锁空间维度中的时间维度，让我们能够全面观察和了解黑洞。对于M87*来说，由于其变化缓慢，需要长期监测才能捕捉其变化。 EHT在过去几年中进行了多次连续成像观测，未来五年还有持续观测计划。这些观察结果将呈现一部跨越 10 年时间跨度的 M87* 电影。针对瞬息万变的银心黑洞，目前的EHT望远镜分布不足以实现“快照模式”的动态摄影，导致严重的“丢帧”。但随着未来几年更多望远镜的加入，将有可能达到所需的时间分辨率并拍摄“黑洞电影”！
黑洞不仅会“吃”还会“吐”，还“暴饮暴食”
22.什么是黑洞？
在引力极强的时空区域，任何东西都无法逃脱，甚至连光（电磁波）也无法逃脱。因为光无法逃逸，所以我们称之为“黑”，因为物质无法逃逸，所以我们称之为“洞”。
黑洞没有表面，一般以事件视界作为边界来区分黑洞的内部和外部。它确定了“不可返回区域”，任何穿过事件视界的东西都永远无法逃脱。
23.什么是喷气式飞机？
喷射是一种天文现象。人们把电离物质的定向、狭窄、高速流出称为射流。喷气机看起来像一柱火柱。喷流广泛存在于宇宙中的许多天体中，如恒星形成、灾变变量爆炸、黑洞吸积等。当喷流中物质的速度接近光速时，喷流称为相对论喷流。大多数相对论性喷流都与星系中心的超大质量黑洞有关。
24.黑洞和喷流之间有什么关系？
理论家认为，黑洞不仅会“吃”（吸积物质），还会“吐”（流出）。如果“吐出”的物质速度快且方向性好，就会自然形成观察到的射流。不过，需要注意的是，理论学家迄今为止还无法非常清楚地解释黑洞和喷流之间的关系，观测工作也在试图一步步解开这个谜团。
25.黑洞是如何诞生的？
黑洞形成的最简单方式是在一颗古老的大质量恒星的坍缩过程中，伴随着超新星爆炸。如果恒星质量足够大，至少是太阳质量的几十倍，恒星的残余物就会塌缩成黑洞。其他关于恒星黑洞形成的理论包括大爆炸后不久物质的直接坍缩。黑洞成长为质量更大的黑洞有两种方法：通过吸积和“贪食”，以及与其他黑洞合并。
26. 为什么我们会看到阴影周围有光环？
黑洞本身不发光。但黑洞周围环绕着炽热的气体，不断发出辐射，形成一个明亮的环。我们在阴影周围看到的明亮环实际上是黑洞和周围发光气体结合形成图像的图像。
27. 为什么我们会看到带有“尾巴”的明亮光环？
“尾巴”代表黑洞附近“喷出”的气体。我们称这个“尾巴”为喷气机。距离黑洞非常近的地方等待落入黑洞的物质也可能会因为某种原因而被喷射出来。这些流出的材料聚集在一起形成射流。理论上，人们认为这种喷流的形成与其黑洞的活动密切相关。我们看到明亮的光环有一条与这种理解相符的“尾巴”。距离黑洞稍远的“尾部”中的气体可以认为是最初形成的喷流。它们不断加速到接近光速，向外移动，并且始终与1000光年外的喷流相连。
研究人员首次以 3.5 毫米的波长对 M87 星系中心超大质量黑洞 (M87*) 周围的环状结构进行了成像。在这张图像中，有黑洞、黑洞周围的吸积流以及从吸积盘附近延伸出去的喷流。
黑洞的影响范围与黑洞的质量成正比：质量越大，影响范围越大，时空扭曲也越大。银河系中心的超大质量黑洞距离我们很远，不会影响地球。目前，没有证据表明地球附近存在低质量黑洞。因此，无需担心黑洞对地球的影响。然而，研究黑洞可以让我们深入了解空间和时间的本质。
28.离地球最近的黑洞在哪里？
距离地球最近的黑洞是V616麒麟座，距离我们3000光年。它的质量是太阳质量的11倍。它绕着一颗K型恒星（太阳质量的0.5倍）运行，轨道周期接近8小时。
29. 所有星系的中心都有黑洞吗？宇宙中心是否存在巨大的黑洞？
一般认为，大多数星系的中心都存在一个超大质量黑洞，但我们目前所知的宇宙是各向同性的，这意味着宇宙没有中心。
30.黑洞会“消失”吗？
由于所谓的霍金辐射，所有物质在一段时间后都会蒸发。对于迷你黑洞来说，这可能只需要几秒钟。对于一个质量相当于一座山的黑洞来说，需要20亿年。对于像太阳一样大的黑洞来说，需要 10^67 年！
31.黑洞里有什么？
这是未知的，因为我们无法访问那里的内容。落入黑洞的物质可能会被压缩，也可能全部到达中心奇点。你可以自由地想象这一点，因为没有人飞进黑洞并回来告诉我们那里有什么。
32.如果你掉进黑洞会发生什么？
对于一个小黑洞，你会遭受所谓的“意大利面条化”（这是一个科学术语）。如果你把脚伸向黑洞，那么脚上的重力会比头上的重力大，所以你会被拉伸，看起来像意大利面条。对于巨大的黑洞，你的形状可以忽略不计，并且不会遭受“意大利面条化”的困扰。