黑洞照從“甜甜圈”變成了“雞爪子”。研究團(tuán)隊(duì)供圖
【資料圖】
還記得4年前發(fā)布的那張M87黑洞寫真照嗎，酷似一個(gè)“甜甜圈”。如今，經(jīng)過科學(xué)家的努力，黑洞有了全景照，從“甜甜圈”變成了“雞爪子”。
16臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡連起來，組成了一臺(tái)口徑等效于地球直徑的望遠(yuǎn)鏡。這是人類首次在3.5毫米波長(zhǎng)對(duì)M87黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
完成這項(xiàng)工作的，是由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，成員來自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)、64家研究單位，共計(jì)121位。團(tuán)隊(duì)中不乏一些80后、90后的身影，記者采訪了這個(gè)充滿朝氣的年輕團(tuán)隊(duì)，聽聽他們給黑洞拍照背后的故事。
“這是星際旅行中會(huì)看到的風(fēng)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(yuǎn)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?jiān)?.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?cè)谶M(jìn)行星際旅行，在朝著我們的主角M87黑洞前進(jìn)，那這張照片呈現(xiàn)的，就是我們?cè)诼贸躺纤吹降娘L(fēng)景。”論文第一作者路如森說。
新照片的拍攝時(shí)間是2018年4月14日至15日，被拍攝的對(duì)象M87黑洞，位于梅西耶87星系，即室女座星系團(tuán)中央巨橢圓星系的中心，距離地球約5500萬(wàn)光年，是太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍。它有著長(zhǎng)達(dá)5000光年的噴流，“非常上相”。
“以前我們?cè)趩为?dú)的圖像中分別看到過黑洞和噴流，但現(xiàn)在我們?cè)谝粋€(gè)新的波段拍攝了黑洞和噴流的全景圖。”路如森說，“我們之前看到的環(huán)狀結(jié)構(gòu)在3.5毫米波長(zhǎng)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。”
據(jù)他介紹，黑洞周圍的物質(zhì)，被認(rèn)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(duì)它進(jìn)行過成像。
這一回，參與拍攝的望遠(yuǎn)鏡包括全球毫米波甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量陣列（GMVA）的14臺(tái)射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡（GLT）。
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，GMVA測(cè)得的環(huán)狀結(jié)構(gòu)直徑為64微角秒，相當(dāng)于“月球上的宇航員回望地球時(shí)，看到一個(gè)13厘米的環(huán)形補(bǔ)光燈”的大小。
“觀測(cè)波長(zhǎng)越短，觀測(cè)條件對(duì)天氣的要求就越高。每年的觀測(cè)時(shí)間都是相當(dāng)有限的，觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)也競(jìng)爭(zhēng)得非常激烈，團(tuán)隊(duì)要代表這個(gè)領(lǐng)域最前沿的水平。”中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員江悟?qū)χ星鄨?bào)·中青網(wǎng)記者說。
江悟的工作是對(duì)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。據(jù)他介紹，拍照時(shí)需要全球范圍協(xié)同觀測(cè)，所以，要求所有臺(tái)站的觀測(cè)天氣觀測(cè)條件都合適，綜合考慮下來，最合適的時(shí)間通常是4月，“南北兩個(gè)半球都適宜”。
他告訴記者，在爭(zhēng)取到“巨無霸”級(jí)的望遠(yuǎn)鏡ALMA加入觀測(cè)陣列后，整個(gè)團(tuán)隊(duì)的人，都對(duì)拍攝結(jié)果“抱有很高期待”。
在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，“前所未有的新特征”被呈現(xiàn)了出來，這讓研究團(tuán)隊(duì)的成員都倍感興奮。在這之前，很多人認(rèn)為在這個(gè)波長(zhǎng)上不會(huì)看到“甜甜圈”。路如森承認(rèn)，就連他自己也沒有想到。
“通過在GMVA觀測(cè)中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我們獲得了一個(gè)新的視角。我們確實(shí)看到了我們?cè)谠缙赩LBI觀測(cè)中了解到的三齒狀的噴流。”位于德國(guó)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(gè)波段測(cè)量黑洞周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)的直徑。”
“要用物理學(xué)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(chǎng)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(zhǎng)，新的觀測(cè)結(jié)果揭示了有關(guān)這些電子的位置和能量的更多細(xì)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(yù)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(fēng)吹出來，造成黑洞周圍的湍流和混亂”。
為了解這個(gè)更大、更厚的“亮環(huán)”的來源，研究者們不得不使用計(jì)算機(jī)模擬測(cè)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(tuán)隊(duì)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(cè)圖像，也遇到了“前所未有的挑戰(zhàn)”。新照片是一張視場(chǎng)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(tuán)隊(duì)匯聚了遍布全球各地許多合作者的經(jīng)驗(yàn)，在各種嘗試和反復(fù)驗(yàn)證之后，最終克服了這些困難。
陣列中的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡，是一臺(tái)新的射電望遠(yuǎn)鏡，參與觀測(cè)時(shí)還在調(diào)試階段。在觀測(cè)過程中，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的相位旋轉(zhuǎn)器配置錯(cuò)誤。團(tuán)隊(duì)是在事后才發(fā)現(xiàn)這一問題，不得不在處理數(shù)據(jù)時(shí)，專門開發(fā)特別的算法來解決這個(gè)問題。
楊海是中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)里最年輕的成員，他的工作就是用物理學(xué)的方式，“想辦法去解釋”觀測(cè)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(xué)生。
“我們得到黑洞噴流的運(yùn)動(dòng)速度、密度，還有旁邊磁場(chǎng)強(qiáng)度這些數(shù)據(jù)，然后用計(jì)算機(jī)模擬它到底長(zhǎng)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。”楊海對(duì)中青報(bào)·中青網(wǎng)記者說。
2014年，電影《星際穿越》上映時(shí)，一向?qū)苹酶信d趣的他坐在電影院里，面對(duì)大熒幕上模擬出來的黑洞深感震撼。當(dāng)時(shí)的他并沒有預(yù)料到，沒過幾年，自己的工作會(huì)與黑洞息息相關(guān)。但對(duì)天文學(xué)、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(gè)過程中，他難免緊張，在團(tuán)隊(duì)的群里基本不用年輕人常用的那些表情包，也盡量不說時(shí)下流行的網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言。
不過在線下討論時(shí)，這位90后反而沒那么緊張了。他會(huì)大膽地提出自己的想法，然后認(rèn)真聆聽老師們的意見，“告訴我這樣做好不好，是否值得花時(shí)間嘗試”。
從家到單位，楊海保持著兩點(diǎn)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(huì)注意到，有同學(xué)畢業(yè)后進(jìn)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(huì)因此起太多波瀾，他認(rèn)為，研究上能出成果，對(duì)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(dòng)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(shí)，法國(guó)天文學(xué)家夏爾·梅西耶發(fā)表了著名的梅西耶星表，里面包含103個(gè)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(gè)天體”。
然而直到100多年后，人類才意識(shí)到M87并不是星云，而是一個(gè)星系。天文學(xué)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(cè)到天體中的噴流。而事件視界望遠(yuǎn)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(gè)世紀(jì)之后的事了。
人類對(duì)仰望星空的過程充滿好奇心，也歷盡艱辛，但從未停止。對(duì)M87的探索，也并沒有結(jié)束。
“此次展現(xiàn)的3.5毫米波長(zhǎng)圖像，可以說代表了當(dāng)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(duì)論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機(jī)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(zhǎng)的黑洞照片，以及在長(zhǎng)至7.0毫米波長(zhǎng)的黑洞和噴流的全景圖像，未來非常令人期待。”中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)研究員說。
進(jìn)一步的觀測(cè)和更強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。未來，毫米波觀測(cè)將研究M87黑洞的時(shí)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(yuǎn)鏡建造也涉及結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的前沿技術(shù)，未來也可以轉(zhuǎn)化。從這個(gè)角度上說，我們現(xiàn)在做的很多工作，在促進(jìn)科學(xué)應(yīng)用方面是有幫助的。”江悟?qū)χ星鄨?bào)·中青網(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(shí)生活之間，往往是看上去沒什么關(guān)系，實(shí)際上只有基礎(chǔ)研究不斷往前推進(jìn)，才能帶動(dòng)最前沿、最先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展，并以此改進(jìn)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(duì)他來說“很特殊”。
“我喜歡追究事物的本質(zhì)，更希望去進(jìn)行基礎(chǔ)研究。”他對(duì)記者感慨，“如果我做的工作，能夠?qū)@個(gè)領(lǐng)域有一定的貢獻(xiàn)，還能取得一定的科學(xué)成果，這就是最讓我滿足的事了。”
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