當人類最先進的地面和空間望遠鏡都對準距離地球5500萬光年的M87中心黑洞（世界首張黑洞照片的“主角”）會發生什麼？

包括上海天馬望遠鏡在內的全球19臺望遠鏡（陣）剛剛宣佈，對M87開展了前所未有的多波段同步觀測結果，觀測全部數據即將對全球科學家公開。這份被天文學家譽爲“傳世數據”該數據將極大加深對黑洞中央引擎及其系統的理解，並提升愛因斯坦廣義相對論的檢驗精度。

M87的多波段觀測結果，左下爲世界首張黑洞照片。

在全球雲集的望遠鏡陣中，上海天文臺沈志強研究員領導的天馬望遠鏡團隊，實現了13毫米和7毫米兩個波段的VLBI（甚長基線干涉）技術，與全球望遠鏡組網，成爲組成“傳世數據”的重要拼圖。

故事還將繼續：本月上旬開始，天文學家再一次開展對M87、銀河系中心超大質量黑洞以及若干遙遠黑洞的多波段觀測，天馬望遠鏡仍在其中發揮重要作用。而事件視界望遠鏡（EHT）比“首張黑洞照片”觀測時期還新增了三臺望遠鏡。

調集全球最先進望遠鏡，探究黑洞“隱祕的角落”

2019年4月，科學家發佈了有史以來第一張黑洞照片，這一卓越成就就是通過事件視界望遠鏡（EHT）於2017年4月對M87星系中央超大質量黑洞的觀測獲得的。然而，這僅僅只是整個科學故事的開始。

上圖爲世界首張黑洞照片的偏正圖。下圖從左到右，爲 M87 星系、M87 黑洞噴流、首張黑洞流量總強度照片。

爲了更好地理解這張黑洞照片，全球天文學家協調了包括地面和空間最先進的望遠鏡，這些望遠鏡共同努力的成果同步收集到了M87中心黑洞在觀測期間整個電磁波範圍內的輻射，這是迄今爲止對超大質量黑洞及其噴流的頻率覆蓋最廣的同步觀測。

爲何要動用如此大陣仗對M87中心黑洞進行觀測？事實上，科學家們早就預測超大質量黑洞除了會“吸”，還會“噴”。在巨大引力驅動下，超大質量黑洞噴出的強大噴流能以接近光速的速度傳播到很遠，且噴流的輻射覆蓋從無線電波、可見光到伽馬射線的整個電磁波譜。對每個黑洞而言，其在各電磁波段的輻射特徵各不相同。收集這些輻射“指紋”可以加深人們對黑洞性質的瞭解。

爲了證實這一假說，天文學家們幾乎拿出了大部分“家當”。來自32個國家或地區的近200個科研機構的760名科學家和工程師組成的團隊，使用19臺望遠鏡（陣），成功彙集了M87中心黑洞2017年3月底至4月中旬的觀測數據。

參與觀測的望遠鏡包括在空間中的哈勃望遠鏡，主要觀測的波段是光學、紫外線；錢德拉望遠鏡，主要關注X射線波段；費米拉望遠鏡，主要關注伽馬射線波段。而在地面上的先進望遠鏡有歐洲的VLBI陣、ALMA望遠鏡（世界最大的射電望遠鏡陣列）、天馬望遠鏡等。

“世界各地天文學家爲追求同一個目標，動用許多世界上最好的望遠鏡，獲得一份‘傳世數據’，這是前所未有的。”沈志強說。

年輕的射電望遠鏡補足黑洞數據重要“拼圖”

上海65米射電望遠鏡，坐落於上海天馬山山腳下，因而又有“天馬望遠鏡”之稱。儘管還“未滿10週歲”，但它已經參與了諸多重點工程，包括“嫦娥”工程、“探火”任務等。在此次全球望遠鏡同步觀測中，“天馬望遠鏡”發揮了重要作用。

位於上海佘山的“天馬望遠鏡”

“天馬射電望遠鏡”參與了2017年5月9日的歐洲VLBI網170毫米觀測，與歐洲的射電望遠鏡連線，拉長了觀測基線，從而提高了歐洲VLBI網的分辨能力。

天馬望遠鏡全程參與了2017年3月-5月東亞VLBI網在13毫米和7毫米對M87共14次EHT協同觀測。在天馬加入之前，東亞VLBI網中的望遠鏡多爲20米級射電望遠鏡，天馬望遠鏡加入後有效接收面積提升大於其他毫米波綜合口徑，它以一己之力將東亞VLBI網成圖質量提升一倍。其中，天馬望遠鏡在7毫米波段的觀測是中國首次成功參加7毫米國際VLBI聯合觀測。

“波長越短，頻率越高，能量也越高。”上海天文臺高級工程師仲偉業說。在此之前，國內尚沒有7毫米波段接收機，仲偉業帶領團隊，自主研發了K（7毫米）和Q（13毫米）波段雙波束製冷接收機，測試數據達到國際先進水平。值得一提的是，這支隊伍中最年長的仲偉業才35歲。

甜甜圈、旋轉煙花……未來的黑洞什麼樣？

2019年4月10日，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織公佈了那張轟動世界的首張黑洞照片，看上去像一個溫暖的橙色“甜甜圈”。2021年3月24日，EHT再次發佈黑洞偏正圖像，這次它像“旋轉煙花”、

然而這都不是黑洞最“真實”的樣子，隨着更多數據的揭祕，人類對黑洞的認知有望更“逼近真相”。

“想要了解一個物體的真實面貌，要除去它偶然的變化，看它通常的樣子。”沈志強說。幸運的是，此次同步波段觀測期間，M87超大質量黑洞周圍物質產生的輻射強度處於有觀測記錄以來的最低水平，沒有耀發現象的平靜狀態爲看清黑洞“陰影”提供了理想條件。

下一次公佈的黑洞照片什麼樣？沈志強說，最有可能的是拖着一條“尾巴”，事實上無論是7毫米、13毫米還是170毫米的短波觀測中，已經能看到黑洞噴出的高能輻射流。

這將引起很有意思的研究。比如高能粒子加速機制，黑洞周圍的極端環境可以加速粒子產生極高能量的輻射，可能比地球上最強大的人工加速器大型強子對撞機（LHC）產生的能量高一百萬倍，觀測數據支持這些高能輻射很有可能就來自於昨天發佈圖像上顯示的黑洞噴流。

另一個有意思的問題是，這些黑洞噴流都呈現出被“束縛”的效果，是什麼讓它們在長遠的噴射中不向外擴散，是否有磁場包裹着它們，這些都有待科學家依據數據給予進一步解答。

一位麥吉爾大學的合作者就興奮地表示：“有多個小組正在加緊研究他們的模型是否與這些豐富的觀測結果相符，我們很高興看到整個領域都使用這些公開數據幫我們更好地瞭解黑洞與噴流之間的深層聯繫。”而阿姆斯特丹大學的合作者則表示：“粒子的加速機制是我們理解黑洞照片和噴流的關鍵，我們的數據將幫助我們估算攜帶的能量以及黑洞的噴流對其環境的反饋。”

人類對於宇宙的好奇心從未停止，“年輕”的天馬望遠鏡也正值“當打之年”。上海天文臺研究員劉慶會表示：“未來天馬望遠鏡仍將積極參與到這類國際合作中，對包括M87在內的更多黑洞天體進行觀測。”

作者：沈湫莎

圖片：除註明外爲上海天文臺提供