解密全球首张黑洞“全景照”的拍摄过程
卢力媛 科技日报记者 王春
近期，由中国科学院上海天文台牵头的国际团队，利用全球16个观测台站，开展了对M87星系中心的联合成像研究，在全新的频段给M87黑洞及其周围的环境拍摄了“全景照”。这一新进展标志着天文学家朝着对黑洞进行“多彩成像”迈出了重要一步。相关研究成果于4月26日在国际学术期刊《自然》上在线发表。
科学家们为什么要给黑洞拍照？又是如何拍出来？让我们一起来探秘这张黑洞全景照的拍摄过程。
M87在3.5毫米波长所观测到的图像。中国科学院上海天文台供图
为解黑洞百年谜团，科学家决定给它拍张全景照
研究黑洞可以让我们深入了解空间和时间的本质，对近邻超大质量黑洞成像研究是当前天文研究的国际前沿热点。
此前，天文学家已经通过事件视界望远镜（EHT）国际合作，分别于2019年和2022年，对位于M87星系中心和人类所居的银河系中心的两个超大质量黑洞进行了成像。
M87黑洞重量约是65亿倍的太阳质量，是目前宇宙中所知质量最大的黑洞之一，而且距离地球仅有5500万光年，是非常适合拍照研究的对象。此外，M87星系有着明亮的长达5000光年的喷流，M87黑洞正是喷流的源头。
M87黑洞的喷流与吸积盘的示意图。中国科学院上海天文台供图
1918年，美国天文学家希伯·柯蒂斯首次观测到M87的喷流，也是人类历史上第一次观测到天体中的喷流。理论学家认为，黑洞不仅在“吃”（吸积物质），同时也在“吐”（外流）。如果“吐”出的物质速度快、方向性好，自然就形成了所观测到的喷流。但是，理论学家至今也没能够非常明确地解释好黑洞与喷流的关系，只有通过观测工作来解开这个谜团。
2017年，EHT成功拍摄到了M87黑洞的照片。这张照片也是人类历史上的首张黑洞照片。照片显示M87黑洞长得像个“甜甜圈”，外面一圈亮环，围绕着中间的阴影。由于EHT的视场比较小，只能拍摄到黑洞的“特写”照片，离黑洞稍远一些的喷流没能进入镜头。
如果能把黑洞和周围的环境都拍在同一张照片里，就可以帮助我们理解黑洞附近的环境，观察黑洞周围的物质是如何绕转、掉进黑洞或被喷出的，进而研究黑洞和喷流的关系。
为了解决黑洞与周围环境“失联”的问题，中国科学院上海天文台路如森研究员领衔一个由来自17个国家和地区的64家研究机构的121位科研人员参与的国际研究团队决定给黑洞拍摄一张全景照。
颠覆性探索，突破拍摄瓶颈
相较于EHT拍的特写照，要拍全景照必须要加大视场，并且分辨率也不能太低。研究团队想到两种方案，要么在1.3毫米波段上尝试拍摄喷流在内的黑洞照片，要么索性切换到3.5毫米波段拍摄。“当焦距拉长，视场就会变小，所以，在1.3毫米波段，喷流等黑洞周围环境很难同时被观测到。”路如森解释，研究团队的科学家们最终选择了在3.5毫米波段下给黑洞拍照，因为在3.5毫米波段下喷流显示更亮、望远镜的阵列也能更大。
这可谓是一次颠覆性的探索，因为此前人们普遍认为，用地球上的望远镜在3.5毫米观测波长上不会看到“甜甜圈”，但路如森坚信3.5毫米可以拍到“甜甜圈”。他这一大胆的尝试使得中国天文学家有机会领衔了此次最新的观测与发现。
由于降低了观测波段，更多望远镜加入了此次黑洞“全景”的拍摄。新照片摄于2018年4月14日至15日，由14台望远镜组成的全球毫米波甚长基线干涉测量（VLBI）阵列（GMVA）、阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）和格陵兰望远镜（GLT）连在一起，组成了一台口径等效于地球直径的望远镜。
本次拍摄将16台射电望远镜连起来，组成一台口径等效于地球直径的望远镜。中国科学院上海天文台供图
路如森强调，ALMA和GLT的加入提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度，使得在3.5毫米波长下对M87黑洞周围的环状结构进行成像成为可能。
由于这是一张视场很大的图像，里面包含许多成分，且这些成分的亮度差异很大，洗照片时科学家们遇到了许多意外。阵列中的格陵兰望远镜还是一台新的望远镜，参与观测时还在调试阶段，其基于波导的相位旋转器被错误地配置，幸好科学家及时发现这一问题，在数据处理时开发了特别的算法解决了这个问题。此外，还遇到了“生数据”处理成“熟数据”来回返工，“熟数据”重建观测图像难等问题。
通过汇聚遍布全球各地的许多合作者的经验，在长达五年的复杂数据处理和成图过程，以及反复验证和确认结果后，这张史无前例的新图像终于呈现在世人面前。M87黑洞在3.5毫米的图像也呈现“甜甜圈”形态，比此前EHT观测到的“甜甜圈”大了近50%。
下一步，科学家们还打算拍摄“彩色黑洞”甚至“黑洞电影”来进一步观测和研究黑洞。据悉，上海天文台已于2021年提出，建设综合性能达到国际先进水平的15米口径亚毫米波天文研究望远镜，目前已启动5米口径的原型机研制，并在西藏地区开展了初步选址工作。针对黑洞多彩成像，上海天文台还启动了天马望远镜三频观测模式的研制。