【儀表網 儀表研發】2019年4月，科學家發布了一張黑洞照片，這一成就通過事件視界望遠鏡(EHT)于2017年4月對M87星系中央超大質量黑洞的觀測而獲得。然而，這僅僅是這個科學故事的開始。中國科學院上海天文臺牽頭組織協調包括8位臺內研究人員在內的國內學者參與了此次EHT合作。期間，EHT國內牽頭人上海天文臺研究員沈志強帶領天馬望遠鏡團隊，在2017年EHT觀測前夕完成對天馬望遠鏡在13 mm和7 mm兩個波段的VLBI系統調試以及低頻波段的檢查，成功組織天馬望遠鏡參加2017年3月至5月的EHT同步多波段VLBI聯測及后續數據分析等。值得一提的是，天馬望遠鏡是歐洲VLBI網(EVN)和東亞VLBI網(EAVN)的正式成員，它的建設和運行得到中科院和上海市的支持。
 

　　4月14日公開的來自19臺望遠鏡(陣)的數據將加深對這個黑洞中央引擎及其系統的理解，并提升對愛因斯坦廣義相對論的檢驗。日本國立天文臺的Kazuhiro Hada說：“黑洞照片具有開創性意義，但要充分理解這張照片，學界需要通過觀測整個電磁波譜以了解當時有關黑洞活動的一切信息。”
 

　　超大質量黑洞的巨大引力驅動強大的噴流，并使其以接近光速的速度傳播到很遠的距離。M87噴流的輻射覆蓋從無線電波到可見光再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征各不相同。通過收集這些輻射的“指紋”可加深學界對黑洞性質的了解(如它的自旋和能量輸出)，但面臨的一個挑戰是這些不同頻率上的輻射特征往往隨時間而變化。
 

　　天馬望遠鏡參與了2個望遠鏡陣、3個波段的同步觀測
 

　　科學家通過協調包括地面和空間先進的望遠鏡，在對M87的EHT觀測期間同步收集到了整個電磁波譜范圍內的輻射，這是迄今對超大質量黑洞及其噴流的頻率覆蓋廣的同步觀測。
 

　　天馬射電望遠鏡參與了其中2017年5月9日的歐洲VLBI網(EVN)170 mm觀測，并貢獻了高分辨率基線(如下圖)。同時，作為東亞地區靈敏度高的長毫米波射電望遠鏡，天馬望遠鏡全程參與了2017年3月至5月期間東亞VLBI網(EAVN)在13 mm和7 mm對M87共14次EHT協同觀測。這是國內射電望遠鏡在7 mm工作波長成功參加VLBI聯合觀測。
 

　　M87的多波段觀測結果，天馬射電望遠鏡參加其中EVN的170 mm和EAVN的13 mm及7 mm觀測。(圖片來源：EHT合作組織多波段工作組)
 

　　每臺望遠鏡都為距離地球約5500萬光年的M87中心這個65億倍太陽質量的黑洞，提供了有關其物理行為和影響的獨特信息。
 

　　新數據將有助于充分理解黑洞的首張照片
 

　　加拿大麥吉爾大學的合作者Daryl Haggard說：“多個研究小組正在加緊研究他們的模型是否與這些觀測結果相符，我們很高興看到整個領域都在使用這些公開數據來幫助我們更好地了解黑洞與噴流之間的深層聯系。”
 

　　來自32個國家或地區近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)，匯集了2017年3月底至4月中旬的觀測數據。
 

　　馬來西亞馬來亞大學的Juan Carlos Algaba說：“這組觀測結果是世界各地天文學家為追求科學而共同努力的一個范例。”
 

　　結果顯示，當時M87超大質量黑洞周圍物質產生的輻射強度處于有觀測記錄以來的低水平。這為看黑洞的“陰影”提供了理想條件，同時便于區分開接近事件視界的區域和離黑洞數萬光年尺度以外的輻射。
 

　　新數據將有助于解決具挑戰性的問題
 

　　這些望遠鏡的數據與當前和未來的EHT觀測相結合，使得科學家能夠對天體物理學的一些最重要和具挑戰性的研究領域進行分析。例如，科學家計劃使用這些數據來改進對愛因斯坦廣義相對論的檢驗。上海天文臺副研究員江悟說：“目前，由于還不完全確定圍繞黑洞旋轉以及被加速形成相對論性噴流中的粒子組成，尤其是它們的輻射特性，對M87進行此類檢驗仍需更全面的觀測數據”。
 

　　該研究還解決了一個相關問題，涉及“宇宙線”的起源，宇宙線是不斷轟擊地球的高能粒子。它們的能量可以比地球上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。高能的宇宙線有可能是起源于4月14日發布的圖像上顯示的黑洞噴流，但有關細節(如這些高能粒子在哪里被加速)仍存在疑問。因為宇宙線能通過相互碰撞產生輻射，高能波段的伽馬射線可用來精確定位粒子加速的區域。該研究表明，至少2017年這些伽馬射線不是在事件視界附近產生的。解決這該爭論的關鍵是將其與2018年的數據以及4月正在觀測采集的新數據進行比較。
 

　　阿姆斯特丹大學的合作者Sera Markoff說：“粒子的加速機制是學界理解黑洞照片和噴流的關鍵。噴流將黑洞釋放的能量運送到遠比宿主星系尺度還要大的地方，就像一根巨大的能量傳送帶。研究數據將幫助我們估算攜帶的能量及黑洞的噴流對其環境的反饋”。
 

　　恰逢EHT的2021年觀測，未來已來
 

　　這批新的數據寶庫的公開恰逢EHT的2021年觀測，這是自2018年以來的EHT觀測。2020年，計劃的EHT觀測由于疫情被迫取消，2019年的觀測由于未曾預料到的技術問題和惡劣的天氣原因而被迫叫停。就在本月上周開始，天文學家再一次用6天時間開展對M87、銀河系中心超大質量黑洞(Sgr A *)及另外若干遙遠黑洞的EHT觀測。與2017年相比，該陣列新增了三臺望遠鏡——格陵蘭望遠鏡、基特峰12米望遠鏡和北方擴展毫米波陣列(NOEMA)。
 

　　耶魯大學的合作者Mislav Balokovic說：“隨著此次數據的發布以及恢復EHT觀測和EHT陣列性能的提升，一些新的、令人興奮的結果將露出端倪。”
 

　　“今年的天馬望遠鏡參與的東亞VLBI網(EAVN)聯測目前正在進行中，” 上海天文臺研究員劉慶會表示：“未來，我們的天馬望遠鏡仍將積極參與到這類合作中，對包括M87在內的更多黑洞天體進行監測”。
 

　　相關研究成果發表在《天體物理學雜志通訊》上。