天文物理學家曾在 2019 年 4 月 10 日公佈了人類歷史上的首張黑洞照片，當時引起巨大轟動。

如今，一年多時間過去，人類史上第一個黑洞演變影像問世了。完成這個影像的研究團隊，是一個觀測點遍佈全球的、名爲事件視界望遠鏡的國際觀測臺聯盟（EHT，The Event Horizon Telescope）。前述首張黑洞照片也是由這支全球聯合團隊拍攝的。

照片和影像的主角，都是位於 M87 星系中心的黑洞（以下簡稱 M87 黑洞）。EHT 的研究人員在依據 2017 年的觀測數據發佈黑洞照片後，繼續順藤摸瓜，對其在 2009 年至 2017 年間對 M87 黑洞的歷史觀測數據進行了分析，並以此成功生成了多張 M87 黑洞的老照片，隨後，他們將幾張照片連在一起按時間順序切換放映，於是便生成了一段 M87 黑洞在 2009 至 2017 年間的低幀演變影像。

黑洞照片

M87 黑洞距地球約 5500 萬光年。2019 年 EHT 公佈的其首張照片，是由 ETH 成員天文臺在 2017 年 4 月的兩個晚上所收集的數據生成，視界的外貌，特別是中心區域不太發光的陰影，與廣義相對論對於黑洞外表模樣的預測相符，併爲 “黑洞視界存在陰影區域” 提供了首個直接觀測證據。

圖 | 2019 年公佈的位於 M87 星系中心的黑洞的照片，圖中發光區域的內側爲黑洞視界的邊界（來源：EHT Collaboration）

而照片中 “發亮區域的一側看起來比另一側更亮”，也與黑洞附近的複雜動力學理論的預期相符，那些被吸入黑洞的物體會先在黑洞外圍高速旋轉，形成黑洞的吸積盤（the accretion disk），而其中發亮區域一側比另一側更亮的外觀，則是由多普勒效應造成，也就是如果我們從照片所採用的觀測方向的反方向觀測 M87 黑洞，我們會發現黑洞的“上方” 更亮，“下方”更暗（與照片中的 “上下” 明暗分佈相反）。

被遺忘的數據

基於對 2017 年 4 月兩個晚上的觀測數據的分析經驗，EHT 的研究人員接下來又對天文臺自 2009 年起對 M87 黑洞的歷史觀測數據進行了分析。

雖然起初 EHT 在全球僅有三個地面望遠鏡設施對準 M87 黑洞進行觀測，且直到 2017 年纔將觀測 M87 的全球觀測站數量擴充到了能實際產出圖像的水平（總共 8 個觀測站，地理分佈上基本覆蓋全球），但 EHT 在 2017 年的數據集之前，就已經對 M87 黑洞建立了 2009、2011、2012 和 2013 四個按年份劃分的觀測數據集。

圖 | EHT 觀測網與 M87 黑洞理論外貌隨時間的演變（來源：EHT 的 M.Wielgus 和 D.Pesce）

論文主要作者、哈佛大學的天文學家 Maciek Wielgus 說：“從某種意義上來說，這些歷史數據是被我們遺忘了，由於觀測站數量的增加，當時大家都對 2017 年的數據興趣很大，因此在 2019 年發佈的研究結果中，我們可以說是隻分析了 2017 年的數據，而沒有對那之前的數據集進行太多處理。”

在本次發表的研究中，Maciek Wielgus 和同事基於之前分析數據的經驗，把 2009 至 2013 年的四個數據集也分別生成了照片，結果與理論預期相符，與 2017 年的照片一樣，都展現了黑洞 “擁有視界陰影” 和由多普勒效應導致的 “一邊亮一邊暗” 的外貌。

但值得注意的是，結合 2017 年的圖像來看，在從 2009 至 2017 年總共五個數據集所分別生成的圖像中，視界的較亮區域和較暗區域應該是在這幾年中一直都在移動，但根據此次發表的論文所給出的說法，這一現象並未“令人感到意外”。

明暗位置之變

圖 | M87 黑洞的吸積盤模擬圖，旨在體現出其動態特徵。 （來源：EHT / HOTAKA SHIOKAWA）

具體來說，M87 黑洞本身其實應該並沒有發生變化，圖像中的明暗區域移動對應的可能是黑洞周遭環境的變化。

一般來說，在僅僅幾周的時間裏，黑洞的強磁場就能攪動吸積盤，在吸積盤中產生溫度極高的區域，並使其繞黑洞旋轉，進而繼續發光發熱以至於讓我們能觀測到。而由於此前的歷史觀測數據精度受限，比如沒有足夠多的觀測站，缺乏數據等。

就目前而言，此次研究所展現的這種明暗區域變化，也許可以說明兩個方面，一是根據廣義相對論，事件視界的陰影直徑不會隨時間變化，二是我們剛纔所提到的，可能是黑洞周遭環境中的物質變化（比如周遭環境中的物質密度）造成了這種現象，但無論如何，從 EHT 自 2009 年以來不斷提升的數據收集能力來看，人類目前已經初步具備了 “對宇宙中的極端物理環境” 進行精確觀測的能力。

Maciek Wielgus 說：“瞭解黑洞附近這種超級極端環境下的物質間相互作用，對物理學發展來說至關重要。要知道，在沒有 EHT 之前，我們能觀測到的黑洞數據就好比是一張分辨率只有單個像素的圖片，我們能從中得知亮度的變化，但並不能清楚地知道究竟發生了什麼。”

目前，EHT 正在分析其 2018 年所產生的觀測數據，並計劃於 2021 年投入全球總計 10 個觀測站對 M87 黑洞進行進一步觀測，而如果能產出足夠精細的有效數據，EHT 未來針對 M87 黑洞的觀測活動或能幫助科學家們進一步瞭解黑洞附近環境中物理學，甚至在學界內激發出一些與黑洞自旋、黑洞磁場強度以及黑洞周圍物質等離子體微觀物理學有關的新見解。

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參考：

https://news.mit.edu/2020/wobbling-shadow-m87-black-hole-0923