M87黑洞又有新消息，當年觀測時科學家竟然還埋了個彩蛋

出品：科普中國

製作：江悟，沈志強，路如森（中國科學院上海天文台）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

大家還記得2019年事件視界望遠鏡（EHT）發佈的首張黑洞照片嗎？這是有史以來第一張黑洞照片，首次揭開了黑洞這個宇宙中神秘天體的面紗——M87黑洞的陰影以及環繞的光環（EHTC，2019）。

2019年EHT發佈的首張黑洞照片（圖片版權：EHT合作組織）

經過近兩年時間針對偏振數據的進一步處理和分析，EHT於2021年3月又發佈了該黑洞在偏振光下的影像（EHTC，2021）。這幅偏振圖像提供了有關黑洞外緣磁場結構的信息，是理解磁場如何讓黑洞“吞噬”物質併發出能量巨大的噴流的關鍵（路如森等，2021）。

偏振光下M87超大質量黑洞的圖像。（圖片版權：EHT合作組織）

其實，在2017年對M87進行觀測時，科學家還做了一件很了不起的事情。來自全球32個國家或地區近200個科研機構的760名研究人員組成的團隊，通過協調包括地面和空間最先進的19台望遠鏡（陣），收集了M87在整個電磁波譜範圍內的輻射，即對黑洞進行多波段聯測。

這是迄今為止對超大質量黑洞及其噴流開展的頻率覆蓋最廣的同步觀測，將幫助我們更好地瞭解黑洞與噴流之間的深層聯繫，相關數據於2021年4月14日發表在《天體物理學雜誌通訊》上。

黑洞多波段聯測可以告訴我們什麼？

黑洞及其噴流是宇宙中最神秘也是最壯觀的天體之一。超大質量黑洞的巨大引力不僅可以牽引周圍物質圍繞它高速旋轉形成吸積盤，也可以將一部分粒子以噴流的形式往外發射，並使其以接近光速的速度傳播到很遠的距離。

我們知道，加速運動的電子或質子都會產生輻射，這也是我們從地面能夠接收到關於黑洞及其噴流信號的來源。

每個黑洞在各電磁波段的輻射特徵均不相同，類似於人類的指紋。通過收集這些輻射的“指紋”可以使人們深入瞭解黑洞的性質，但面臨的挑戰是這些不同波段的輻射往往會隨着時間變化。M87噴流的輻射覆蓋了從無線電波到伽馬射線的整個電磁波譜。

典型黑洞及其噴流的輻射模型，不同顏色表示不同波段輻射產生的區域（Marscher et al. 2008）

2017年，在對M87進行EHT觀測時（江悟等，2019），科學家預感這次可能會以前所未有的超高分辨率捕獲到黑洞的圖像，所以通過EHT合作成員和外部合作伙伴的共同努力，協調了包括地面和空間最先進的望遠鏡同步觀測，以收集整個電磁波譜範圍內的輻射，將時變影響降到最小。

參與EHT多波段工作組合作觀測的望遠鏡（陣）搭建的輻射模型

射電望遠鏡陣：事件視界望遠鏡（EHT），歐洲VLBI網（EVN），高靈敏度陣列（HSA），東亞VLBI網（EAVN），甚長基線陣列（VLBA），全球毫米波VLBI陣列（GMVA）; 紅外望遠鏡陣：甚大望遠鏡干涉儀（VLTI / GRAVITY）；紫外望遠鏡：尼爾·蓋勒斯·斯威夫特天文台（Swift）；光學望遠鏡：Swift和哈勃太空望遠鏡（HST）；X射線望遠鏡：錢德拉X射線天文台（Chandra），核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR），Swift，高通量X射線光譜任務和X射線多鏡任務（XMM-Newton）；伽馬射線望遠鏡（陣）：費米大面積空間望遠鏡（Fermi-LAT），高能立體望遠鏡系統（H.E.S.S.），大型大氣伽瑪射線契倫科夫望遠鏡（MAGIC），甚高能輻射成像望遠鏡陣列系統（VERITAS）

這次聯測的觀測頻率從低頻射電到可見光再到X射線和高能伽馬射線，跨域了17個數量級，對M87黑洞的解讀在物理尺度上也從超高分辨率的EHT到超高能費米空間望遠鏡跨越了8個量級，是迄今最全的多波段同步觀測結果，顯得格外珍貴和極具科學價值。

M87的EHT多波段協同觀測結果（EHT合作組織多波段工作組）

這次解讀還有兩大優勢，一是可以從直接EHT成像結果確定黑洞周圍的輻射來自相對論性電子的同步加速輻射。科學家假定其他波段的能譜也來自相同區域時發現，它並不能提供足夠強的特別是高能伽馬射線波段的能譜，從而基本確定伽馬射線輻射不是來自於我們看到的黑洞事件視界附近；

另一個發現是2017年EHT觀測期間，M87核區的活動處於有觀測記錄以來最平靜的階段，這樣再結合2018年和2021年正在進行的後續多波段聯測，就可以將不同波段能譜的變化和輻射區域對應起來，進而研究各波段的輻射來源。

雖然我們現在已經目睹了黑洞的真容（路如森等，2019），並對其電磁輻射實現了全波段的準同時覆蓋，但是仍然存在諸多不確定性，有待我們進一步去探索。比如，我們所能探測到的電磁輻射的產生過程是什麼樣的？

此次發佈的研究成果還有助於幫助我們瞭解“宇宙線”的起源。宇宙線是不斷轟擊地球的高能粒子，它們的能量比地球上最強大的人工加速器大型強子對撞機產生的能量高一百萬倍。

此次研究表明，至少在2017年觀測到的伽馬射線不是在黑洞的事件視界附近產生的。最活躍的宇宙線最有可能起源於巨大的黑洞噴流，但有關細節仍有許多疑問，包括被認為最高能量的伽馬射線的這類宇宙線來源的精確位置。

就像筆者在利用望遠鏡搭建輻射模型時，還是不確定將接收伽馬射線的四台望遠鏡放在模型中紅外和毫米波輻射之間，還是放在更接近黑洞的位置。

幸運的是，這一爭論有望通過比較2018年以及2021年正在進行的觀測得到解決。

從標誌性的M87 黑洞照片開始，該視頻帶領觀眾看到每個望遠鏡捕捉到的關於黑洞及其噴流的歷程。每一幀呈現的數據在觀測波長和物理尺度上都跨越了數十倍。從2019年4月發佈的EHT捕獲（數據是2017年4月採集的）的M87黑洞圖像開始，然後按視場從小到大放映由全球不同射電望遠鏡陣獲得的高分辨率圖像（方框對應的以光年為單位的尺度顯示在右下角）；然後畫面切換到可見光（Hubble和Swift）、紫外（Swift）和X射線（Chandra 和NuSTAR）空間望遠鏡，畫面中同時顯示了射電、可見光/紫外和X射線的圖像，為了便於比較，它們都顯示在了相同的天區中；最後以地面伽馬射線望遠鏡和費米空間望遠鏡檢測到的黑洞及其噴流的圖像結尾。

（視頻來源：EHT合作組織多波段工作組）

大廈之成，非一木之材

對黑洞這個神秘天體進行抽絲剝繭，以無與倫比的維度進行精細研究是非常巨大的工程，匯聚了全球的力量，筆者有幸參與其中。讓筆者最為感慨的是：羅馬不是一天建成的，同時，大廈之成，非一木之材也！這次探測集齊了19台望遠鏡（陣），各望遠鏡（陣）前期都匯聚了無數人的心血和智慧。

以在其中發揮重要作用的天馬射電望遠鏡為例，這個射電望遠鏡距離上海市中心30多公里，因旁邊有個天馬山而得名。

最早可以追溯到上世紀90年代上海天文台老一代天文學家就提出了建設大口徑射電望遠鏡的計劃。2008年10月底立項，2012年10月28日落成（沈志強，2013），由中國科學院和上海市共同建設，口徑達65米，全方位可動的大型射電天文望遠鏡。在我國曆次嫦娥探月工程和現在正在進行的“天問一號”火星探測任務中都發揮了重要作用（劉慶會等，2017）。

上海天馬射電望遠鏡

難能可貴的是，天馬不僅緊鑼密鼓地執行深空探測任務，還充分利用每一分時間來做天文觀測研究。比如這次M87黑洞的EHT多波段協同觀測，天馬就參與了其中2個望遠鏡陣，3個波段的甚長基線干涉測量（VLBI）觀測，均發揮了重要作用。

天馬自建成後的第二年（2014年）春季就參加到歐洲VLBI網（EVN）的國際聯測中，EVN其實包括了來自亞洲、歐洲、美洲和非洲等地射電望遠鏡的參與。

2017年5月9日，包括天馬在內的EVN中9個台站參加了170mm波段對M87的EHT協同觀測，作為最低頻率觀測數據。從台站分佈地圖可以看到天馬處於EVN參與聯測台站中的最東方，在最高分辨率的基線上有天馬這個大口徑天線，對M87的東西方向噴流成圖有極大的幫助。

另外，大家也許注意到天馬和阿雷西博射電望遠鏡（在FAST之前，它是世界最大口徑的射電望遠鏡）在這次觀測中同時出現的場景。

事實上兩者處於地球的兩端，不能同時看到M87這顆目標源，但是通過中間歐洲大陸台站的連接，最後成圖時就能將兩者的貢獻體現出來，這也許就是VLBI技術的神奇之處吧。

EVN於2017年5月9日對M87的EHT協同觀測 （左上：EVN台站分佈；左下：EVN台站對M87的空間採樣，其中紅色軌跡為天馬相關基線；右下：天馬和阿雷西博的條紋相位；右上：EVN在170mm對M87的VLBI成圖。）

我們知道，觀測頻率越高（波長越短），對望遠鏡的性能要求就越高。在天馬加入之前，東亞地區韓國和日本的毫米波VLBI台站口徑大都是20米級。作為在東亞地區能工作到毫米波段最大的射電望遠鏡，天馬的有效接收面積比其餘東亞毫米波VLBI台站的總和還要大，因此天馬在東亞VLBI網（EAVN）中的地位舉足輕重。

在天馬高頻毫米波觀測系統調試期間，我們就得到了來自國內同行單位如新疆天文台南山射電望遠鏡的支持。

作為國內首台具備在7mm工作波長開展VLBI觀測的射電望遠鏡，這個波段的調試亦得到來自韓國和日本的毫米波VLBI陣的配合，使得我們在2017年EHT協同觀測前夕13mm和7mm這兩個毫米波段的VLBI系統調試成功。

2017年3月18日至5月26日的16次EHT協同觀測期間（8次單獨觀測了M87，6次同時觀測了M87和銀心黑洞，2次單獨觀測了銀心黑洞，每次7-10小時不等），因為是首次參加毫米波的國際聯測，我們還及時通過高速網絡交換了觀測的部分原始數據，檢查觀測的初步結果是否正常，最終按計劃順利完成了所有聯測，為EAVN的協同觀測增添了濃重一筆。

EAVN於2017年3月18日至5月26日對M87的EHT協同觀測 （左上：EAVN台站分佈；左下：不同EAVN台站之間的干涉條紋，其中天馬相關基線的條紋相位彌散度最小，表明其具備最高靈敏度；右上：EAVN在13mm波段對M87的VLBI成圖；右下：EAVN在7mm波段對M87的VLBI成圖。）

至今仍記憶猶新的是，在明確要參加EHT協同觀測的前兩週，我們發現在13mm和7mm兩個波段的測試觀測始終得不到干涉條紋，意味着天馬的觀測有可能被取消。

幸運的是，天馬團隊全力以赴，拉着國外望遠鏡反覆試驗，經過十多天的摸查終於定位到問題所在，是因為一處接線的接頭鬆動所致。最後有驚無險地參與和成功完成此次跨兩個月對M87黑洞的聯合VLBI監測。

後記

目前恰逢2021年EHT觀測和多波段同步觀測，天馬已經輕車熟路，不再有首次參加時的倉促。

天文人深知宇宙的浩瀚和自身的渺小，對未知的探索需要團隊的力量，我們VLBI領域本身的特點更需要和追求廣泛的合作。具體到天馬這一個單元，其系統的複雜性需要各個環節專業的研究人員將各自工作做到極致才能達到最優性能。天馬已經得到國家任務和天文科學觀測的歷練，我們相信它能繼續向前邁進，大放異彩。

作者感謝日本國立天文台Kazuhiro Hada和崔玉竹提供M87的歐洲VLBI網和東亞VLBI網圖像。

參考文獻：

Marscher, A., Francesca, J., D'Arcangelo, D., et al. 2008. The inner jet of an active galactic nucleus as revealed by a radio-to-γ-ray outburst. Nature, 452, 966 (Marscher et al. 2008)

Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. ApJL, 875, L1 (Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019)

Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021. First M87 Event Horizon Telescope Results VII: polarization of the ring. ApJL, 910, L12 (Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021)

Algaba, J., Anczarski, J., Asada, K., et al. 2021. Broadband multi-wavelength properties of M87 during the 2017 Event Horizon Telescope campaign. ApJL, 911, L11 (Algaba et al. 2021)

http://65m.shao.cas.cn/

沈志強，2013。上海 65 米射電望遠鏡。科學，第65卷，第3期，15 (沈志強，2013)

劉慶會, 昌勝騏, 黃勇, 等，2017。火星探測器跟蹤及VLBI測定軌分析。中國科學:物理學 力學 天文學，47, 9 （劉慶會等，2017）

江悟，路如森，高峯，2019。首張黑洞照片參與者親述：我們怎樣給黑洞拍照。（返樸）

路如森，左文文，2019。世界首張黑洞照片出爐，中國科學家有啥貢獻？（賽先生）

路如森，江悟，沈志強，2021。黑洞偏振圖像發佈！M87黑洞又有新頭像了（科普中國）