首張黑洞影像現在變成了一部影片

去年公佈的歷史性的首張黑洞影像現在變成了一部影片。這段短片顯示了黑洞周圍環境的外觀如何隨著時間的推移而變化，因為它的引力攪動著周圍的物質，形成一個持續的漩渦。

這些影像顯示了在星系M87中心超大質量黑洞周圍旋轉的不對稱的光斑。為了建立這些影像，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織——它利用了一個覆蓋全球的觀測站網路——挖掘了關於黑洞的舊資料，並將這些資料與基於2019年4月釋出的影像的數學模型相結合，以展示周圍環境在過去八年中的演變過程。儘管這部分依賴於猜測，但結果為天文學家提供了關於黑洞行為的豐富見解，黑洞強大的引力吸入了周圍的物質和光。

“由於落入黑洞的物質流動是湍流的，我們可以看到光環隨著時間而擺動，”首席作者、馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的射電天文學家馬切克·維爾古斯說。

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這項工作於9月23日發表在《天體物理學雜誌》上，它預示了隨著技術的進步，該團隊在不久的將來可能會取得的成就。“在幾年內，它可能真的會看起來像一部電影，”維爾古斯說。

擺動的光環

EHT合作組織去年公佈的黑洞影像登上了世界各地報紙的頭版頭條。它描繪了M87*，位於距離地球約17兆秒差距（5500萬光年）的M87星系中心的超大質量黑洞。研究人員透過結合他們在2017年4月的兩個晚上從地球各地的觀測站收集的射頻訊號構建了這幅影像。他們的壯舉被比作從地球上分辨出月球表面的一個甜甜圈的形狀。

儘管模糊，但該影像與阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論對黑洞周圍的直接環境應該是什麼樣子的預測相符。特別是，它為研究人員提供了事件視界陰影的第一個直接證據，事件視界是將黑洞與其周圍環境分開的“不歸路”表面。這個較暗的圓盤以事件視界外由過熱物質發出的光環為背景。

引人注目的是，光環的一側看起來更亮。這是意料之中的，因為黑洞周圍複雜的動力學中存在多種效應。特別是，落入空隙的物質應該在黑洞赤道之外高速螺旋運動，形成天體物理學家所說的吸積盤。不對稱的外觀部分與多普勒效應有關：在朝向觀察者旋轉的圓盤一側，物質的運動增強了輻射，使其看起來更亮；相反的情況發生在後退的一側。

重新審視資料

基於這些結果，維爾古斯想回到過去，檢視EHT望遠鏡的舊資料，看看他是否可以使用2017年的影像作為指導來重新解釋它們。EHT自2009年以來一直在觀測M87*，最初僅使用三個位置的望遠鏡。隨著團隊將更多的觀測站新增到EHT網路中，觀測質量得到了提高。2017年，合作組織包括了來自夏威夷和智利到歐洲的全球八個觀測站，首次達到了EHT可以產生實際影像的水平。

較舊的資料包括在2009年、2011年、2012年和2013年收集的四批資料，其中兩批資料尚未發表。“在某種程度上，它們被遺忘了，因為每個人都對2017年的資料感到非常興奮，”維爾古斯說。他與其他EHT研究人員一起重新分析了這些資料，發現它們與2017年活動的結果一致，包括存在一個暗盤和一個亮環。儘管就其本身而言，2009-13年的資料批次沒有足夠的解析度來生成影像，但該團隊能夠透過將有限的可用資料與從2017年資料構建的黑洞數學模型相結合，為每一年生成合成影像。

結果發現，其中包含的資訊比維爾古斯預期的要多。像2017年的影像一樣，它們顯示光環的一側比另一側更亮——但亮點會移動。這可能是因為吸積盤的不同區域變得更亮或更暗，這可能會增強甚至有時會抵消多普勒增亮效應。

動態圓盤

作者說，這並不令人意外：儘管M87*黑洞本身不會逐年改變，但其周圍的環境會改變。在幾周的時間尺度上，強大的磁場應該會攪動吸積盤併產生更熱的斑點，然後這些斑點會圍繞黑洞執行。2018年，一個獨立的團隊報告了在約1小時的時間內，熱氣團圍繞銀河系中心黑洞人馬座A*執行的證據。由於M87*的質量是太陽的65億倍，是人馬座A*的1000多倍，因此M87*周圍的動力學需要更長的時間才能展開。

EHT合作組織試圖每年在3月下旬或4月初觀測M87*和人馬座A*。那時，其網路中許多站點的天氣條件最有可能同時良好。由於COVID-19大流行造成的限制，2020年的活動不得不取消，但該團隊希望在2021年再次有機會。如果一切順利，包括格陵蘭島和法國的觀測站將在內的更多觀測站將加入這項工作。

該團隊還希望明年的活動將包括首次使用較短波長輻射的全球觀測。儘管透過地球大氣層進行觀測更具挑戰性，但這將提高EHT影像的解析度。“我們將更接近那個黑洞陰影，並獲得更清晰的影像，”荷蘭奈梅亨拉德布大學的射電天文學家、EHT成員薩拉·伊薩翁說。

本文經許可轉載，並於2020年9月23日首次發表。