開天辟地第一張黑洞照片搬上熒幕

基于以往觀測制成的圖片，展示了過去十年間浩瀚空間的混沌演變

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在以往觀測數(shù)據(jù)以及數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上建圖而成的一系列影像，向我們展示了2009年到2017年間，位于M87星系中心位置的一個黑洞的演變現(xiàn)象。

鳴謝：地平線事件望遠鏡合作機構(gòu)，動畫圖片由自然雜志編輯而成

去年公諸于世的史上第一份黑洞影像現(xiàn)在已經(jīng)被制作成一部小電影。這幾幅簡短的畫面展示了該黑洞周邊空間的形態(tài)，在過去若干年間其引力將其周邊物質(zhì)攪擾成一團永久渦旋。

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有史以來第一次拍到黑洞照片--細(xì)節(jié)嘆為觀止

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有關(guān)圖像顯示出，在M87星系中心位置的超級黑洞周邊，縈繞著一團不均勻的光線。在制作這些圖像過程中，地平線事件望遠鏡合作機構(gòu)(簡稱EHT，該組織動員了全球范圍內(nèi)的多家天文臺)挖掘出大量關(guān)于該黑洞的歷史數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入到一個基于2019年4月份所發(fā)布圖像而建立的數(shù)學(xué)模型之中，目的是展示黑洞周邊空間在過去八年的演變。雖然有部分工作依靠猜想，但研究成果卻為天文學(xué)家們提供了研究黑洞動態(tài)的豐富洞察，黑洞強大的引力吞噬著周邊的物質(zhì)和光線。

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“因為落入黑洞的物質(zhì)流呈旋渦狀，所以我們能看到光環(huán)隨著時間而晃動”，該項目牽頭人，哈佛大學(xué)射電天文學(xué)家梅斯耶克.維爾古思如此評論說。

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發(fā)表在9月23日出版的“天體物理學(xué)雜志”上的該項成果，也向世人透露了，隨著技術(shù)手段的不斷改進，這個工作團隊近期可能能夠做到的一絲線索。“不出幾年，它應(yīng)該真的看起來像部電影”，維爾古思講。

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晃動的金環(huán)

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EHT于去年發(fā)布的黑洞圖像占據(jù)了全世界新聞報紙的頭版位置。它描繪了M87*，這一位于M87星系中心的、大約1700萬秒差距(即大約5500萬光年)以外的超級黑洞。研究人員通過將2017年4月份兩個夜晚在全球范圍內(nèi)若干天文臺獲得的射電頻率信號組合在一起而制成了這幅畫面。他們這一壯舉的難度，堪比在地球上去確定一塊位于月球表面的烤面包圈的形狀。

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圖像盡管很模糊，但它與愛因斯坦廣義相對論中預(yù)言的黑洞鄰近的模樣是相符的。特別是，它為研究人員提供了事件視界陰影的首個直接證據(jù)，即將黑洞和其周圍空間分隔開的“不返回”（‘no return’）表面。這個黑暗的圓盤緊挨著事件視界外那些過熱物質(zhì)發(fā)出的光環(huán)。

科學(xué)家對黑洞的第一個圖像有何反應(yīng)。

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令人驚訝的是，光環(huán)的一側(cè)顯得更加明亮。符合預(yù)期的解釋是，這是由于黑洞周圍復(fù)雜動力學(xué)的綜合作用所致。尤其是，落入黑洞臨近空間的物質(zhì)應(yīng)該在黑洞的赤道外高速旋轉(zhuǎn)，形成天體物理學(xué)家所說的吸積盤。扭曲的外觀部分與多普勒效應(yīng)有關(guān)：在圓盤朝向觀察者旋轉(zhuǎn)的一側(cè)，物質(zhì)的運動會增強輻射，使其看起來更明亮；相反的情況發(fā)生在另一邊。

回顧數(shù)據(jù)

基于這些結(jié)果，Wielgus想回過頭來查看EHT望遠鏡較早的數(shù)據(jù)，看是否能以2017年的圖片為引導(dǎo)來重新解釋它們。自2009年以來，EHT一直在觀測M87 *，最初僅在三個地點使用望遠鏡。隨著團隊向EHT網(wǎng)絡(luò)添加更多的觀測站，觀測的質(zhì)量得到了提高。 2017年，這項合作涉及從夏威夷和智利到歐洲的八個觀測站，首次達到了EHT能夠產(chǎn)生實際圖像的水平。

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較早的數(shù)據(jù)包括在2009年、2011年、2012年和2013年收集的四批數(shù)據(jù)，其中有兩批尚未發(fā)布。Wielgus說：“在一定程度上，它們被遺忘了，因為每個人都對2017年的數(shù)據(jù)感到非常興奮?！彼c其他EHT研究人員一起重新分析了數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)它們與2017年的觀測一致，包括暗盤和亮環(huán)的存在。盡管2009-2013年的數(shù)據(jù)批次本身沒有足夠的分辨率來生成照片，但該團隊仍能夠通過將可用的有限數(shù)據(jù)與2017年數(shù)據(jù)構(gòu)建的黑洞數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，來合成圖像。

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黑洞的第一個圖像現(xiàn)在是一部“電影”

并且結(jié)果包含了更多超出威爾格斯預(yù)期的信息。像亮相于2017年的黑洞照片一樣，它們揭示了黑洞環(huán)的一側(cè)比另一側(cè)更亮，但亮點卻在四處移動。這可能是因為吸積盤（一種由彌散物質(zhì)組成的、圍繞中心體轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)）的不同區(qū)域變得更亮或更暗，這可以增強甚至有時抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的增亮現(xiàn)象。

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動態(tài)磁盤

研究員說，并不出乎意料：盡管M87*黑洞自身不會年復(fù)一年發(fā)生變化，但是它周邊的環(huán)境會發(fā)生變化。在幾周的時間范圍內(nèi)，強磁場會攪動吸積盤并產(chǎn)生溫度更高的斑點，然后圍繞黑洞運行。在2018年，一個獨立的研究小組報告稱，有證據(jù)表明在大約一個小時的過程中，銀河系中央的黑洞人馬座a*周圍環(huán)繞著一團熱氣。因為?M87*黑洞的質(zhì)量是太陽的65億倍，超過人馬座a*的1000倍，所以圍繞M87*黑洞的動力學(xué)需要花費更長的時間去展開研究。

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EHT（事件視界望遠鏡）計劃在每年3月底或4月初觀察M87*和射手座A*。在那個時間段，?EHT觀察網(wǎng)絡(luò)中許多站點的天氣狀況最有可能同時良好。由于COVID-19疫情的影響，2020年的活動不得不取消，但研究小組希望在2021年有一次機會。如果一切順利，將有更多的觀測站一起努力，包括格陵蘭的一個和法國的一個。該研究小組還希望明年的活動將包括首次使用短波長輻射的全球觀測。盡管穿透地球大氣層去看更具挑戰(zhàn)性，但這也將提高EHT圖像的分辨率?！拔覀儗⒏咏诙吹年幱埃@得更清晰的圖像，”荷蘭拉德堡德大學(xué)的射電天文學(xué)家、EHT成員薩拉·伊薩翁說。

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作者：Davide Castelvecchi

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FY：Astronomical volunteer team

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