——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國(guó)科學(xué)院辦院方針
——多年EHT觀測(cè)捕捉到超大質(zhì)量黑洞周?chē)粩嘌葑兊钠衲Ｊ剑⒃谄鋰娏鞯撞刻綔y(cè)到230 GHz輻射
近日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組發(fā)布了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的新圖像，揭示了黑洞附近偏振輻射隨時(shí)間的演化。科學(xué)家還首次在EHT數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了連接黑洞環(huán)狀結(jié)構(gòu)與噴流底部的延伸輻射的跡象。在9月16日正式發(fā)表于《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）的此項(xiàng)最新成果，正為人們理解黑洞周?chē)鷺O端環(huán)境下的物理過(guò)程提供新視角。
M87星系距地球約5500萬(wàn)光年，其中心黑洞質(zhì)量是太陽(yáng)的60億倍以上。EHT是由全球射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合組網(wǎng)的“地球般大小的望遠(yuǎn)鏡”，2019年發(fā)布的首張黑洞照片拍攝于2017年，其偏振結(jié)果于2021年公布。如今，通過(guò)對(duì)比分別拍攝于2017年、2018年和2021年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家在揭示黑洞磁場(chǎng)時(shí)變方面取得了新的重要進(jìn)展。
圖1 事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組發(fā)布的最新圖像揭示了超大質(zhì)量黑洞M87*周?chē)粋€(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境，表現(xiàn)出不斷變化的磁場(chǎng)偏振模式。如圖所示，白色的線顯示的是觀測(cè)到電磁波的電場(chǎng)矢量方向，與該局部區(qū)域的磁場(chǎng)方向垂直。由圖可以看出M87*附近磁場(chǎng)分布在2017年由里向外呈逆時(shí)針?lè)较颍ㄗ螅?018年與2017年基本一致（中），而2021年磁場(chǎng)分布則反轉(zhuǎn)成順時(shí)針?lè)较颍ㄓ遥＿@種磁場(chǎng)方向隨時(shí)間的變化的累積效應(yīng)表明M87*及其周邊環(huán)境處于持續(xù)演化狀態(tài)。（Credit: EHT Collaboration）
“令人驚嘆的是，環(huán)大小在4年內(nèi)保持一致，證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的黑洞陰影，但其偏振模式卻發(fā)生了顯著變化。”哈佛-史密森尼天體物理中心天文學(xué)家、本研究共同負(fù)責(zé)人Paul Tiede指出，“這表明事件視界附近磁化等離子體遠(yuǎn)非靜止不變的，而是時(shí)刻變化且極其復(fù)雜的，正在逼近我們現(xiàn)有的理論模型的極限。”
“年復(fù)一年，我們通過(guò)新增望遠(yuǎn)鏡、改進(jìn)儀器性能以及開(kāi)發(fā)新算法等不斷擴(kuò)展和升級(jí)EHT，”合作負(fù)責(zé)人之一、也是EHT科學(xué)委員會(huì)成員的荷蘭奈梅亨拉德堡德大學(xué)的助理教授Michael Janssen補(bǔ)充道：“此項(xiàng)成果正是這些多方面升級(jí)共同作用產(chǎn)生的科學(xué)突破。由此激發(fā)的新的科學(xué)問(wèn)題，無(wú)疑將引領(lǐng)我們今后多年的探索方向。”
此次研究發(fā)現(xiàn)，2017年至2021年間，偏振方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)：2017年磁場(chǎng)呈一方向螺旋，2018年相對(duì)穩(wěn)定，而到2021年則完全反轉(zhuǎn)。這種偏振旋轉(zhuǎn)方向的明顯變化可能源于內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)與外部效應(yīng)（如法拉第屏）的共同作用。偏振的演化反映出黑洞周?chē)耐膭?dòng)不止的環(huán)境，而其中磁場(chǎng)在物質(zhì)如何落入黑洞以及如何向外釋放能量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
“偏振方向在2017年到2021年的四年間發(fā)生翻轉(zhuǎn)是完全出乎意料的，”慶熙大學(xué)的天文學(xué)家，也是該項(xiàng)目的合作者Jongho Park解釋道，“這既挑戰(zhàn)了現(xiàn)有模型，也說(shuō)明在事件視界附近還有許多我們尚未理解的事情。”
至關(guān)重要的是，2021年的觀測(cè)新增了兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡——美國(guó)亞利桑那基特峰望遠(yuǎn)鏡（Kitt Peak）和法國(guó)NOEMA陣列，顯著提升了EHT的靈敏度和成像清晰度。這使得科學(xué)家首次成功通過(guò)EHT約束M87以接近光速遠(yuǎn)離黑洞的相對(duì)論噴流底部的輻射方向。此外，格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（Greenland Telescope）和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）的性能升級(jí)也進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。
“每次前往臺(tái)站參與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，都能真切地感受到EHT在不斷進(jìn)步——這是多次赴JCMT參加EHT觀測(cè)的上海天文臺(tái)同事給我最深刻的反饋，”上海天文臺(tái)沈志強(qiáng)研究員說(shuō)道，“我們也一直在多方面參與技術(shù)革新，例如目前前沿的多頻同時(shí)接收，原始數(shù)據(jù)的相關(guān)處理，頻率相位傳遞校準(zhǔn)和成圖技術(shù)等，以及推進(jìn)相關(guān)科學(xué)突破”。
“改進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)使數(shù)據(jù)質(zhì)量和陣列性能有了顯著提升，” 專(zhuān)注于該項(xiàng)目校準(zhǔn)的馬克斯·普朗克射電天文研究所博士后研究員Sebastiano D. von Fellenberg表示，“NOEMA與IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡之間、以及Kitt Peak與SMT之間形成的兩條新增的短基線，使我們能夠首次捕捉到噴流底部的微弱輻射。這種靈敏度的躍升還增強(qiáng)了我們對(duì)微弱偏振信號(hào)的檢測(cè)能力。”
類(lèi)似M87這樣的蘊(yùn)含超大能量的噴流，通過(guò)調(diào)節(jié)恒星形成和大尺度上的能量分配，在星系演化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這種強(qiáng)大的噴流能產(chǎn)生包括伽馬射線和中微子在內(nèi)的全電磁波輻射，為研究宇宙極端現(xiàn)象的形成機(jī)制提供了一個(gè)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)室。此次最新發(fā)現(xiàn)為破解該謎題提供了至關(guān)重要的一塊拼圖。
“這些結(jié)果展示了EHT如何發(fā)展成為一個(gè)成熟的天文臺(tái)，它不僅能拍出前所未有的黑洞照片，更讓我們能夠一步步深化對(duì)黑洞物理的認(rèn)知。”那不勒斯大學(xué)費(fèi)德里科二世的天文學(xué)教授和EHT項(xiàng)目科學(xué)家Mariafelicia De Laurentis解釋道。“每一次新的觀測(cè)都在拓寬我們的研究邊界——無(wú)論是等離子體和磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，還是黑洞在宇宙演化中扮演的角色。這些都充分證明了EHT所具有的巨大科學(xué)潛力。”
隨著事件視界望遠(yuǎn)鏡持續(xù)提升其觀測(cè)能力，這些新成果揭示了M87*黑洞周?chē)膭?dòng)態(tài)環(huán)境并深化了科學(xué)家對(duì)黑洞物理性質(zhì)的認(rèn)知。
文章信息：
標(biāo)題：Horizon-scale variability of M87* from 2017–2021 EHT observations
作者：事件視界望遠(yuǎn)鏡國(guó)際合作組
發(fā)表日期：2025年9月16日
期刊：《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）
DOI: 10.1051/0004-6361/202555855
URL: https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202555855
科學(xué)聯(lián)系人：沈志強(qiáng) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) zshen@shao.ac.cn
