时隔一年的M87黑洞变化对比

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主译：余路汉

校译：遠山真理

审阅：牧夫天文校对组

编排：苏奕月

后台：李子琦

https://sorae.info/astronomy/20240126-m87.html1

“M87”椭圆星云中心的超大黑洞是天文学历史上第一个看到了构造的黑洞。我们所熟知的是它中间黑暗周边明亮的环状结构，理论上来说这个结构也会随着时间的变化而发生变化。

将M87星云的黑洞可视化的“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope, EHT）在时隔一年后的2018年又进行了一次拍摄。根据数据解析结果显示，环状结构的大框架是没有变化的，只是最明亮的部分移动了约30度。这揭示了黑洞周边的环境，并与理论预测相一致。

※1…M87的超大质量黑洞一般称为“M87(艾姆87 斯大)”,但还没受到国际天文学联合会的认可，并非正式的名称。

▲图1：M87星云中心的黑洞，2017年的观测数据得到的图像（左侧），2018年观测到的数据得到的图像（右侧）

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“黑洞”的可视化100年来的课题

根据1915年阿尔伯特爱因斯坦发表的相对论，1916年德国天文学家卡尔·史瓦西发表了“时空的扭曲，会产生连光都无法从中逃脱的区域”的见解。这说的就是现在所谓的“黑洞”。

当初只是存在于数学中的黑洞，随着天文学的发展，不断发现了只有黑洞能解释的现象，几乎是实锤了其存在。

然而，却在很长的一段时间里，由于黑洞的特性，没有办法将黑洞的图像拍摄出来。黑洞不仅自身不发光，由于周围集中了大量的物质有大量的能量放出，这些物质和能量也将黑洞给隐藏了起来。再加上黑洞本身很小，更是加大了摄影的难度。

由于有如此之多的难关需要攻克，所以初次拍摄到黑洞也是最近才成功的。联合世界各种各样的电波望远镜组成事件视界望远镜进行拍摄，观测距离地球“室女座”方向约5500万光年的椭圆星系“M87”的中心部分，第一次成功的从观测数据中将大质量黑洞周围部分图像化。观测数据是在2017年4月获得的，而图像在2019年4月才公开。

拍摄到的图像，呈现一个中间较暗，周围明亮的环状结构。这反映了黑洞的时空结构，与理论上的预测非常一致(详细内容将在文章末尾的补充节中说明)。但是，黑洞的可视化和与之相关的科学研究并不是拍摄一次就结束了，需要通过持续的观测来确认哪些变化了，哪些没有变化。这也是基于一种反复求证的科学精神而为。

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时隔一年的拍摄所看到的黑洞周围环境

▲图2：格陵兰望远镜，是2018年观测活动新加入的事件视界望远镜Credit: Nimesh A Patel）

▲图3：新加入的格陵兰望远镜（GLT），2018年的EHT2018与2017年的EHT2017相比，在南北方向上的长度更大（Credit: EHT Collaboration）

在取得2017年数据的1年后，事件视界望远镜在2018年4月18日到29日，对M87的超大质量黑洞又进行了新的观测。这次观测中加入了“格陵兰望远镜”和墨西哥的“大型毫米波望远镜”，提升了整体的感度。

另外，由于观测的记录数据增加了2倍，观测的波段增加到4个，精度也提高了。此外，进行数据分析的8种独立的方法中有5种并非以环状结构为前提。

▲图4：2017年和2018年的拍摄图像的环状结构的大比较（Credit: EHT Collaboration

结果，2018年的观测数据中也显示了中央较暗，周围明亮的环状结构图像。黑洞的质量决定环状构造的大小，一年的时间里并没有太大的变化，这又一次证实了广义相对论的正确性。

▲图5：比较了2017年和2018年的图像，最亮的位置和对比度都发生了变化（Credit: EHT Collaboration）

但同时也有变化大的地方。环状结构最明亮的位置，也就是电波辐射最强的位置，在2017年和2018年之间发生了约30度的变化。而且，对比度也有些许变化。黑洞周边的物质被剧烈扰乱，在数日内的极短时间内就能发生使图像发生变化的湍流。也就是说，电波辐射最强烈的地方发生的变化导致了明亮的位置和对比度的变化。

并且，不管明亮的位置如何变化，它都是位于图像的下方（南侧），从这一点来看，还能发现它与其他现象有关。比如像这幅图像明亮的地方，可以预测是在离自转轴较远的位置(※2)，因此黑洞的自转轴在图像的左右方向(东西方向)。

※2…我们认为图像的下方(南侧)明亮是受黑洞旋转方向的影响。由于下方在我们看来是由里向外靠近的，因此多普勒效应会使下方变亮。另一方面，由于图像的上侧(北侧)从前面到后面看起来越来越远，因此由于多普勒效应看起来比较暗。

▲图6：环状构造的明亮位置之所以在下方，是因为黑洞的自转轴由左向右的。并且在其延长线上，有向自转轴方向喷出的喷流（Credit: EHT Collaboration）

在自转轴的延长线上，远离黑洞方向上有高速的物质喷流。自转轴方向的喷流也与理论预测相一致。

此次的观测结果不仅是2017年的黑洞可视化结果的追加验证，也有着对黑洞周边部分用观测新的现象来印证我们理论预测的意义。黑洞是一种非常极端的时空结构，也是检验广义相对论和重力理论的场所，想必今后对于黑洞的观测也会持续下去吧。

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补充：直接拍摄黑洞的意义

▲图7：黑洞周边的光的轨道概略图。黑洞周围的光在光子球的外侧，因此会产生反映光子球大小的黑洞阴影。这比黑洞本身的大小——事件地平线还要大（Credit: Nicolle R. Fuller & NSF）

可视化后的黑洞图像呈现一个中间较暗，周围明亮的环状结构。中间较暗的部分并不是黑洞的本体，它反映了黑洞周围电磁波无法观测到的区域。这被称为“黑洞之影”。

黑洞的本体在比事件视界更内侧的区域，事件视界的直径是阴影直径的40%。事件视界就是“只能从外入内，不能从里往外出的单向通行领域”。另一方面，事件视界的外侧可能是“由外到内，或者由内到外的双方向的单行道领域。”这个分界面被称为“光子球”。

从光子球的外侧进入内侧的光最终会落入黑洞，穿过光子球的光无法被观测到（※4）。这就是黑洞之影。通过电磁波的观测，将黑洞阴影和事件的视界分开拍摄是不可能的，所以“黑洞直接拍摄”是指将黑洞之影可视化。另一方面，光子球的周边有强重力，光前进的路线会被大幅度扭曲。图像上明亮的环状结构反映的就是在光子球外侧边缘的光。

※3…确切的说，光子球的定义是：在其内侧，不存在稳定的自由落体轨道的区域。如果能够改变轨道或加速、减速的话，就可以自由进出光子球。但是，由于光是沿着自由落体轨道运动，所以对光子球的内外都是单向的轨道。

※4…光子球与事件视界不同，光可以从内到外移动，所以并不是完全的黑暗。但是，即便光子球的内侧存在光源，也只能在穿越事件视界之前的短时间内发光，因此亮度远远低于现在的技术所能观测到的亮度。

责任编辑：甘林

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Pickering's Triangle 皮克林三角星云; Fleming's Triangular Wisp 威廉敏娜.弗莱明三角星云

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