吳學兵 北京大學物理學院天文學系系主任、教授, 中國天文學會副理事長. 2005年國家傑出青年科學基金獲得者, 2015年中國天文學會首屆黃潤乾天體物理基礎研究獎獲得者. 帶領團隊發現宇宙早期質量最大的黑洞, 成果入選2015年度中國科學十大進展、中國高等學校十大科技進展, 獲2017年教育部自然科學一等獎.
黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的產物, 也是宇宙中最神秘的天體. 2019年4月10日, 事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)國際合作團隊公布了利用全球的8個毫米波望遠鏡組成的干涉陣以約20微角秒的解析度拍攝的首張黑洞照片, 直接測量了射電星系M87中心黑洞的陰影和黑洞周圍光環的大小, 得到了M87中心黑洞的質量為65億太陽質量(1太陽質量=1.9891?1030 kg), 引起舉世轟動. 下面我們對獲取史上首張黑洞照片的技術、過程和所得結果的科學意義進行簡要解讀, 並對今後相關研究的一些可能進展進行展望.
1 首張黑洞照片的發布
在長期的等待之後, 2019年4月10日北京時間晚上9點, 由世界上200多位天文學家(其中16位來自中國大陸)組成的事件視界望遠鏡國際合作團隊在全球六地(比利時布魯塞爾、智利聖地亞哥、中國上海和台北、日本東京和美國華盛頓)同時舉辦新聞發布會, 公布了利用全球8個毫米波望遠鏡組成的事件視界望遠鏡干涉陣列拍攝的首張黑洞照片. 這一黑洞位於距離地球5500萬光年(1光年=9.4607?1015 m)的橢球星系M87中心, 圖片上可直接看到黑洞的「陰影」和環繞著黑洞陰影但亮度南北不對稱的光環[1](圖1). 雖然圖片看起來還有些模糊, 但這卻是天文學家用至今最高的解析度獲得的毫米波段黑洞天體的照片, 其中的陰影與中心存在超大質量黑洞的預言是一致的, 這是一個了不起的科學成就！
圖1 (網絡版彩色)EHT國際合作團隊公布的星系M87中心黑洞照片[1]
Figure 1 (Color online) Image of the black hole in the center of galaxy M87 released by the EHT collaboration[1]
4月10日, EHT國際合作團隊還在Astrophysical Journal Letters上同時發表了6篇與首張黑洞照片相關的論文[1~6], 分別對黑洞陰影、望遠鏡陣列和儀器、數據處理與定標、黑洞成像、不對稱光環的起源和中心黑洞質量6個方面進行了詳細介紹.
2 望遠鏡陣列與解析度
對於黑洞成像, 要求最高的是解析度. EHT國際合作團隊確定了兩個近鄰的超大質量黑洞作為觀測目標, 即銀河系中心的超大質量黑洞(人馬座A＊)和巨橢球星系M87中心的超大質量黑洞(M87＊). 天文學家們利用恆星動力學和氣體動力學方法已得到這兩個超大質量黑洞的質量分別約為400萬太陽質量和60億太陽質量, 它們距離地球分別約為2.5萬光年和5000萬光年. 根據史瓦西半徑(R=2GM/c2), 可推算其黑洞視介面的角大小(直徑)只有分別約20微角秒和14微角秒, 而理論上推算出的黑洞陰影外的光環的角大小約為5倍史瓦西半徑. 因此, 要分辨黑洞陰影和光環, 需要把望遠鏡的角解析度提高到至少幾十微角秒. 這是一個非常大的挑戰, 因為著名的哈勃空間望遠鏡的角解析度也只有0.05角秒.
望遠鏡可分辨的角大小正比於觀測波長和望遠鏡口徑之比(λ/L). 要提高解析度, 需要使用較短的觀測波長和增加望遠鏡的口徑, 但單個望遠鏡的口徑總是有限的. 為了提高角解析度, EHT團隊使用1974年諾貝爾物理學獎獲得者馬丁·賴爾發明的綜合孔徑成像方法和後來科學家們在此基礎上發展的甚長基線干涉技術, 將位於北美洲(SMA, JCMT, SMT, LMT)、南美洲(ALMA, APEX)、歐洲(PV)和南極(SLT)的8台毫米波望遠鏡組成干涉陣[3](圖2). 其基線長度(即望遠鏡陣列所覆蓋區域的等效直徑) L約1萬千米, 與地球直徑相當, 並利用1.3 mm波長(對應頻率範圍為227~229 GHz)作為觀測波長, 使得EHT的角解析度達到空前的20微角秒, 從而具備了拍攝銀河系中心和星系M87中心超大質量黑洞照片的能力[2]. 而且在這8台望遠鏡中, 位於智利的ALMA本身就是由54個12 m和12個7 m口徑的望遠鏡組成的毫米波干涉陣, 其有效口徑達到73 m, 遠大於其他7台望遠鏡的口徑. 它的加入使得EHT的探測靈敏度得到大幅提升, 有能力對黑洞周圍物質在毫米波段暗弱的發光進行成像.
圖2 (網絡版彩色)EHT用來拍攝首張黑洞照片的8台望遠鏡地點分布[3]
Figure 2 (Color online) Locations of 8 telescopes used to take the first black hole image by EHT[3]
3 黑洞照片的陰影、光環與黑洞質量
2017年4月5、6、10、11日, EHT的8台望遠鏡對星系M87中心黑洞進行了4天觀測, 數據量達到10 PB. 觀測數據被4個獨立的團隊分別利用兩種不同方法進行初始處理, 再經過複雜的處理流程, 利用3種不同的成像工具得到最後的圖像[3,4](圖3(a)~(d)). 其實, EHT國際合作團隊也利用各種理論模型產生的模擬圖像得到了利用EHT的20微角秒解析度預計得到的圖像. 觀測得到的最終圖像與考慮黑洞廣義相對論效應的磁流體動力學(general relativistic magneto-hydrodynamics, GRMHD)數值模擬得到的預計圖像非常類似[5](圖3(e)~(g)), 證實在研究黑洞附近物質的運動和輻射時必須考慮這些物理過程.
圖3 (網絡版彩色)EHT4天觀測經數據處理得到的最後圖像(a~d)[3,4]; 觀測圖像(e)、理論模擬圖像(f)及其在20微角秒解析度時的預計圖像(g)[5]
Figure 3 (Color online) Final images of 4-day observations after data analyses (a~d)[3,4]; observed image (e), simulated image (f) and blurred simulated image at a resolution of 20 micro-arcseconds (g)[5]
4天的觀測結果均顯示出黑洞陰影和不對稱光環. 光環直徑的測量平均值為42微角秒, 與此對應的黑洞引力半徑的角大小(θg=GM/Dc2)為3.8微角秒. EHT 8個望遠鏡的干涉也得到了更為準確的M87星系中心離地球的距離, 為16.8兆秒差距(即5480萬光年), 因此可得到M87中心黑洞的質量為65億太陽質量[1,6]. 這一結果與以前天文學家利用恆星動力學方法測量得到的M87中心黑洞質量(66億太陽質量)相符[7], 但明顯不同於之前用氣體動力學方法得到的結果(35億太陽質量)[8], 說明後者的測量方法很可能存在問題.
4 首張黑洞照片的科學意義
EHT國際合作團隊利用地球大小的基線干涉所得到的毫米波段極高角解析度, 首次直接探測到M87星系中心的黑洞陰影以及環繞其的不對稱光環, 用直接成像的方法證明了宇宙中黑洞的存在, 為愛因斯坦廣義相對論提供了在強引力場中的又一驗證. 這是黑洞研究歷史上一個極為重要的里程碑！
同時, 這也是第一次根據黑洞照片上陰影和環繞光環的大小直接給出黑洞質量的測量值. M87星系中心黑洞質量為65億太陽質量的結果證明了以前利用恆星動力學方法測量結果的可靠性, 對氣體動力學觀測給出的小約一倍的質量結果提出了質疑. 這也促使天文學家們思考獲得黑洞質量的現有方法中哪些還存在問題, 對這些問題的解決將有助於他們利用各種方法獲得對更多超大質量黑洞的準確的質量測量.
在毫米波段觀測到的黑洞陰影外發光亮環所呈現出的不對稱結構, 對理解黑洞附近物質的吸積過程和輻射機制非常重要. 光環的不對稱來自於物質的高速旋轉和相對論效應, 其結構和角大小與這些物理過程以及黑洞的自旋密切相關. 此外, 所探測到的毫米波段輻射應來自於電子在磁場中的同步加速輻射, 對這些輻射的細緻分析將提供關於黑洞附近磁場的寶貴信息.
首張黑洞照片拍攝的是最靠近M87中心黑洞視界的區域, 這一區域(約幾倍到幾十倍史瓦西半徑)通常也被認為是產生M87星系跨越數百萬光年的相對論性大尺度噴流的根源. 長期以來, 對噴流起源「根部」的物理性質都只是理論猜測. 而黑洞照片直接拍攝到這一區域, 為研究噴流的產生機制, 包括物質來源、相對論電子和磁場, 提供了重要幫助.
5 未來的可能進展
EHT在2017年的觀測中使用8台毫米波望遠鏡, 在2018年及以後又有3台望遠鏡參加EHT的觀測, 即位於格林蘭島的GLT、法國的NOEMA和美國的KP望遠鏡[2](圖4). GLT靠近北極, 它的加入進一步擴大了EHT的基線長度. 法國的NOEMA望遠鏡類似於智利的ALMA望遠鏡, 是由12個15 m的毫米波望遠鏡構成的陣列, 它的加入將有助於進一步提高EHT的探測靈敏度. 未來EHT的工作波長可能會從目前的1.3 mm縮短到亞毫米, 這將有助於進一步提高EHT的角解析度. 這些進展將使得EHT的解析度和靈敏度均得以提高, 為更清楚地拍攝更多超大質量黑洞的照片提供條件.
圖4 (網絡版彩色)參加過(棕色文字)、正參加(黃色文字)和即將參加(綠色文字)EHT的多台望遠鏡在全球的分布[2]
Figure 4 (Color online) Locations of the telescopes which joined (in brown color), are joining (in yellow color) and will join the EHT[2]
EHT國際合作團隊下一次公布的黑洞照片將是銀河系中心超大質量黑洞的照片. 由於太陽系位於銀河系內距離銀河系中心約2.5萬光年的銀盤上, 觀測銀河系中心黑洞的方向與觀測M87星系中心黑洞大為不同. 銀河系中心到我們視線方向上將有更多恆星與物質分布, 它們的存在肯定會影響到拍照的效果, 因此對圖像處理技術也提出了更高的要求. M87是射電星系, 屬於活動星系核的一類, 有極強的射電輻射和高能輻射. 而銀河系屬於正常的寧靜星系, 中心的輻射相比M87更弱. 因此, 對銀河系中心黑洞的成像將告訴我們更多關於寧靜星系中心黑洞附近的物理性質.
也許不久的未來, 人類將考慮把與EHT類似的毫米波干涉陣擴展到空間甚至月球上. 這樣可使望遠鏡的基線長度從目前地球上的1萬千米擴大到幾十萬千米, 從而將望遠鏡的解析度提高到小於1個微角秒. 毫無疑問, 解析度的大幅提高將會為我們提供關於超大質量黑洞的更清晰的照片, 從而得到更精確的黑洞質量和自轉參數, 並對黑洞周圍物質的吸積物理和噴流機制給出更清晰的答案. 衷心期待我國作為空間大國, 能在未來空間和月基毫米波望遠鏡干涉陣列的建設和科學研究上作出我國主導的重要貢獻.