上海
M87黑洞陰影、吸積流和噴流一起成像的全景圖（中國科學院上海天文臺供圖）
人類首次“看見”黑洞七年之后，中國科學家又朝“讀懂”黑洞邁出了關鍵一步。記者從中國科學院上海天文臺獲悉，該臺科研人員與國際合作者利用2018年觀測數據，首次獲得了M87星系中心超大質量黑洞在事件視界尺度的空間分辨譜指數圖像。這就好比為遠在5500萬光年之外的黑洞完成了一次高精度的“空間光譜體檢”。7月20日，相關成果近日發表于國際天文學期刊《天體物理學快報》。
七年，從“單色圖”到“雙色照”
2019年，事件視界望遠鏡（EHT）合作組發布了人類歷史上第一張黑洞照片——M87星系中心黑洞的圖像，讓人類首次“看見”了黑洞。此后，科學家又獲得了銀河系中心黑洞的圖像。
然而，這些單一頻率的圖像好比顏色單一的“黑白照”，主要反映的是黑洞周圍輻射的空間結構——要真正理解黑洞附近極端環境中的物理過程，還必須把不同頻率的圖像結合起來看。
為此，上海天文臺助理研究員趙杉杉、研究員路如森等科研人員與合作者一起，利用2018年EHT和全球毫米波VLBI陣列的觀測數據，在1.3毫米和3.5毫米兩個波段同時對M87黑洞開展成像分析。
通過聯合兩個“顏色”的圖像，研究團隊首次計算出黑洞事件視界尺度上輻射強度隨頻率變化的規律——即“譜指數”的空間分布。論文第一作者趙杉杉解釋，譜指數就像天體的“光譜指紋”，能揭示輻射的物理機制，“不同的輻射過程會留下不同的‘指紋’”。
“甜甜圈”與真實物理狀態密切相關
研究結果揭示了黑洞周圍輻射性質的顯著徑向變化。在靠近黑洞中心的區域，譜指數為正且隨距離略有升高，表明該區域的輻射仍受到較強的“自吸收”效應影響——就像濃霧中的燈光會被霧氣自身吸收一部分一樣。而隨著遠離黑洞中心，譜指數逐漸下降并由正轉負，顯示輻射逐漸過渡到“光學較薄”狀態。
M87黑洞事件視界尺度譜指數分布（左）及隨黑洞距離的變化（右）
尤為關鍵的是，這一轉變發生在距離黑洞中心約30微角秒的位置，與3.5毫米波段觀測到的環狀結構尺度一致。這說明，黑洞圖像中那個標志性的“甜甜圈”光環，不僅反映了輻射的形態，更與視界附近等離子體的真實物理狀態密切相關。
“我們首次獲得的M87黑洞事件視界尺度譜指數空間分布，定量揭示了黑洞周圍輻射性質的徑向變化規律。”論文通訊作者路如森表示，這使天文學家能夠直接研究視界尺度等離子體狀態隨空間尺度的變化，并為理解吸積流與噴流形成過程提供新的線索。
從“看見黑洞”邁向“讀懂黑洞”
這一成果標志著黑洞研究從“看見黑洞”的靜態成像階段，邁向了“讀懂黑洞”的物理診斷階段。“未來，多頻視界尺度成像將成為診斷黑洞附近等離子體物理狀態的重要窗口。”路如森相信，隨著觀測能力的不斷提升，多頻觀測有望幫助區分輻射過程與引力效應在黑洞圖像中的貢獻，從而為研究黑洞吸積與噴流機制以及探索強引力物理提供新的觀測途徑。
隨著毫米波VLBI技術的持續發展以及下一代觀測設施的建設，科學家將有望獲取更多“顏色”的黑洞圖像，更精確地診斷黑洞附近等離子體的物理狀態，并追蹤吸積流和噴流結構隨時間的演化，從而更深入地“讀懂”黑洞這一宇宙中最神秘天體。
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