上海天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)：首次繪出M87黑洞光譜變化圖，環(huán)狀結(jié)構(gòu)并非偶然

你還記得2019年那張刷屏的人類(lèi)首張黑洞照片嗎？橘紅色的光環(huán)，中間一個(gè)深邃的暗影，像個(gè)發(fā)光的甜甜圈。那是距離地球5350萬(wàn)光年的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞，被事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）捕捉到的樣子。當(dāng)時(shí)大家興奮的是“看見(jiàn)”了黑洞，但科學(xué)家們想得更多：那個(gè)光環(huán)到底只是一層偶然的形態(tài)，還是隱藏著黑洞近旁等離子體真正的物理狀態(tài)？最近，由中國(guó)上海天文臺(tái)主導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)，第一次用“空間分辨雙頻光譜”的方法，把M87黑洞的光環(huán)拆開(kāi)來(lái)看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：光環(huán)的模樣，真的不是碰巧長(zhǎng)成那樣的。

這并非一個(gè)簡(jiǎn)單的“拍張更清晰照片”的故事。上海天文臺(tái)的研究人員聯(lián)合了中科院射電天文科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、日本筑波大學(xué)計(jì)算科學(xué)中心、意大利INAF射電天文研究所、西班牙安達(dá)盧西亞天體物理研究所和德國(guó)馬普射電天文研究所等多家機(jī)構(gòu)，從EHT和全球毫米波VLBI陣列（GMVA）在2018年獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，干了一件之前沒(méi)人做成的事——他們同時(shí)在兩個(gè)波長(zhǎng)（1.3毫米和3.5毫米）上，獲得了黑洞視界面尺度的圖像，并把兩個(gè)波段的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，首次繪出了一張隨距離變化的光譜指數(shù)分布圖。這就好比，過(guò)去我們看黑洞光環(huán)只能看到一層籠統(tǒng)的亮度，現(xiàn)在卻能看到這層光是由不同“質(zhì)地”的材料構(gòu)成的，而且不同位置的“質(zhì)地”還不一樣。

說(shuō)得更具體一些。光譜指數(shù)是衡量輻射強(qiáng)度隨頻率如何變化的一個(gè)量。如果輻射在不同頻率上分布均勻，光譜指數(shù)就趨近于零；如果低頻部分明顯更強(qiáng)，指數(shù)為負(fù)；如果高頻更強(qiáng)，指數(shù)為正。在黑洞周?chē)臉O端環(huán)境中，輻射主要來(lái)自在強(qiáng)大磁場(chǎng)里以接近光速狂奔的電子發(fā)出的同步輻射。有意思的是，這些電子發(fā)出的光子，并不總能順利逃出去。在靠近黑洞的地方，等離子體非常致密，光子剛發(fā)出就可能被旁邊的電子重新吸收，這就是所謂的“同步自吸收”效應(yīng)。一旦發(fā)生自吸收，原本低頻應(yīng)該更亮的輻射就會(huì)被壓低，導(dǎo)致光譜指數(shù)往正向偏移。而稍遠(yuǎn)一些的地方，等離子體變稀薄，光子可以自由逃逸，光譜指數(shù)就回到了典型的負(fù)值區(qū)間。

研究團(tuán)隊(duì)正是抓住了這個(gè)特征。他們發(fā)現(xiàn)，在M87黑洞中心最內(nèi)側(cè)的區(qū)域，光譜指數(shù)是正的，而且隨著半徑稍微增大還略有上升，說(shuō)明那里確實(shí)正經(jīng)歷強(qiáng)烈的同步自吸收，光子被反復(fù)吸收和再發(fā)射，光線變得“黏稠”而不再透明。當(dāng)把視線移向外圍，大約在距離黑洞30微角秒（這個(gè)尺度下，1微角秒差不多對(duì)應(yīng)黑洞附近約0.08光年的實(shí)際距離）的位置，光譜指數(shù)陡然下降，轉(zhuǎn)為負(fù)值，意味著光子終于可以幾乎不受阻礙地奔向我們的望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)過(guò)渡距離，剛好和此前GMVA觀測(cè)到的那個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的位置吻合。換句話說(shuō)，這個(gè)環(huán)并不是隨意形成的一個(gè)亮邊，而是黑洞近旁等離子體從光學(xué)厚向光學(xué)薄過(guò)渡的一個(gè)物理邊界。

這樣一來(lái)，2019年那張黑洞照片上的光環(huán)就不再只是一個(gè)“視覺(jué)形象”了。它揭示的是黑洞吸積流內(nèi)部狀態(tài)的劇烈變化：在光環(huán)的內(nèi)側(cè)，光線還在高溫稠密的等離子體里掙扎，光子走不了多遠(yuǎn)就被截停；而光環(huán)本身，就是光子終于掙脫束縛、開(kāi)始自由飛行的起跑線。研究團(tuán)隊(duì)在論文中指出，這一發(fā)現(xiàn)意味著“環(huán)狀結(jié)構(gòu)緊密關(guān)聯(lián)著視界面附近等離子體的物理狀態(tài)，而不僅僅是一個(gè)形態(tài)學(xué)特征”。這為黑洞研究打開(kāi)了一扇新的窗口——過(guò)去我們只能看到黑洞周?chē)入x子體的二維投影結(jié)構(gòu)，而通過(guò)雙頻光譜的空間分辨分析，科學(xué)家可以獲得等離子體光學(xué)深度、密度分布和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)等更立體的信息，甚至可能用來(lái)直接驗(yàn)證廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)空彎曲的預(yù)期。

這項(xiàng)成果發(fā)表于7月20日的《天體物理學(xué)報(bào)通訊》（The Astrophysical Journal Letters）。對(duì)于上海天文臺(tái)的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這也是他們長(zhǎng)期深耕毫米波VLBI技術(shù)的一次集中體現(xiàn)。從參與EHT國(guó)際合作，到獨(dú)立利用GMVA數(shù)據(jù)開(kāi)展創(chuàng)新性分析，中國(guó)科學(xué)家正在一步步深入到黑洞物理最前沿的謎題中。一個(gè)最直接的懸念是：如果將來(lái)能夠用更寬的頻率范圍、更高的靈敏度進(jìn)行類(lèi)似觀測(cè)，能否捕捉到黑洞自旋對(duì)光譜變化的調(diào)制？能否看到噴流底部的發(fā)射特征？畢竟M87黑洞那個(gè)著名的、長(zhǎng)達(dá)數(shù)千光年的相對(duì)論性噴流，就從光環(huán)的中心附近迸發(fā)出來(lái)。而眼下這項(xiàng)研究，已經(jīng)為回答這類(lèi)問(wèn)題提供了一套明晰的方法論——?jiǎng)e忘了，這還只是基于2018年一周左右的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

再退一步看，宇宙里幾乎所有的大型星系中心都有一個(gè)巨型黑洞，它們或安靜，或活躍。M87黑洞因?yàn)榫嚯x適中、質(zhì)量巨大，一直是最理想的實(shí)驗(yàn)室。每一次對(duì)它的深挖，都是在為理解這些宇宙巨獸如何吞噬物質(zhì)、如何影響星系演化添加新的注腳。2019年我們看到了黑洞的影子；現(xiàn)在，我們開(kāi)始聽(tīng)見(jiàn)影子背后等離子體流動(dòng)的細(xì)微聲響。下一次，又會(huì)看到什么？