爱因斯坦预言被证实！科学家首次观测到黑洞边缘的“宇宙瀑布”

银河系大瀑布：证实爱因斯坦的预言

日前，由中国科学院上海天文台路如森研究员领衔的17个国家和地区共64家研究单位的121位科研人员组成的国际研究团队，利用3.5毫米波段开展的新观测，首次对距离地球仅5500万光年的M87中心黑洞阴影以及其周围吸积落入中央黑洞的物质的环状结构和强大的相对论性喷流一同进行了成像。

M87中心黑洞最新照片。中国科学院上海天文台供

无论任何物质，当太靠近黑洞时就会被撕裂，并在后者周围形成一个名为吸积盘的轨道环。广义相对论预测，吸积盘应该有一个内部边界，一旦越过这个边界，没有任何物质能够继续绕黑洞运行，相反，它应该直接坠入黑洞，并且在下落的过程中迅速加速到接近光速。

“这就像一条河流变成了瀑布，但在此之前，我们只看到了这条河流。”英国牛津大学的Andrew Mummery说，“如果爱因斯坦是错的，那么这条河流会一直稳定下去。然而现在我们第一次看到了瀑布，这表明爱因斯坦是正确的。”

理论学家认为，黑洞不仅在“吃”（吸积物质），同时也在“吐”（外流）。

如果“吐”出的物质速度快、方向性好，自然就形成了所观测到的喷流。

但需要说明的是，理论学家至今也没能非常明确地解释好黑洞与喷流的关系，观测工作也是在一步步试图揭开这个谜团。

喷流是一种天文现象，看上去像一条火焰柱，人们将具有定向、狭长、高速的电离物质外流称为喷流。喷流广泛存在于宇宙的中的许多天体中，如处形成中的恒星、爆发中的激变变星，吸积中的黑洞等等。

路如森说：“当喷流中物质速度接近光速时，该喷流被称之为相对论性喷流。大部分相对论性喷流与星系的中心的超大质量黑洞有关。”

“M87星系有着明亮的长达5000光年的喷流，而M87中心黑洞正是喷流的源头。因此，给它拍照可以帮助我们理解黑洞附近的环境，观察黑洞周围的物质是如何绕转、掉进黑洞或被喷出的，进而研究黑洞和喷流的关系。”中国科学院上海天文台研究员路如森说，黑洞周围的物质被认为是在一个被称为吸积的过程中落入黑洞的，但是从来没有人直接对它进行过成像。“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们首次在一个新的波段将M87黑洞的阴影以及其周围吸积流和喷流呈现在同一张照片之中。”

换个角度：揭秘黑洞的另一副面孔

4年前，一张来自宇宙深处的“甜甜圈”照片轰动全球。2019年4月10日，“事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）”项目发布他们第一次拍到的黑洞照片，揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞，照片上的M87黑洞仿佛一个模糊的橙色甜甜圈，从此“甜甜圈”成了M87黑洞的昵称。

人类拍摄的首张黑洞照片。（EHT合作组织提供）

如果说“橙色甜甜圈”照片是M87中心黑洞的“特写”，看到亮环围绕着中间的阴影，那么，此次科研团队拍摄到的就是M87中心黑洞的“全景”。从1.3毫米波段到3.5毫米波段，可谓换了个频道看黑洞。在这张“全景”照片中，有黑洞、黑洞周围的吸积流、以及从盘附近延伸向远处的喷流，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。

为什么换了个波段，黑洞“甜甜圈”就翻出了新花样？

“打个可能不是完全贴切的比方，这好比拿相机拍出的人像面容姣好，拿X光拍照拍出来的都是人的骨骼。”路如森如是解释。

事件视界望远镜由8台射电望远镜或阵列组成，由于大部分射电望远镜布局在北半球，空间采样较为稀疏，“橙色甜甜圈”照片只有“特写”而无“全景”。此次参与观测的射电望远镜阵列增加到了16台，尤其是南半球射电望远镜的“助阵”，位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列，以及格陵兰望远镜的加入，大大提高了观测拍摄的分辨率和灵敏度，使得研究团队首次在3.5毫米波长对M87黑洞周围的环状结构进行了成像。

参与观测的16台射电望远镜阵列分布图。中国科学院上海天文台供

未来观测：拍到黑洞电影

北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授介绍，这次是在2019年人类首张黑洞照片的基础上，进一步验证了大质量黑洞的存在。并通过完整的成像，使人们进一步了解了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流之间的联系。

研究团队透露，下一步的目标是与事件视界望远镜一起拍摄“彩色黑洞”。所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程，相比于“单色黑洞”，“彩色黑洞”将带来更多信息，帮助人们更好地理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。

路如森说：“我们将拍摄更清晰的3.5毫米照片，结合事件视界望远镜未来拍摄的更清晰的1.3毫米照片、下一代事件视界望远镜拍摄的0.8毫米照片，以及在更遥远的未来空间甚长基线干涉测量拍摄的更短波长的照片，我们可以得到黑洞的‘彩色照片’。”

研究团队的另一个目标是拍摄“动态黑洞”。黑洞并不是静止的，它每时每刻都在和周围环境相互作用，因此不同时刻看它，它是不一样的。拍摄“动态黑洞”将在空间维度上再解锁时间维度，让人们能够全方位地观测和理解黑洞。

路如森说：“针对快速变化的银心黑洞，目前事件视界望远镜的望远镜分布不足以实现‘快拍模式’的动态摄影，‘丢帧’严重。但随着未来几年更多望远镜的加入，将能达到所需时间分辨率，拍到‘黑洞电影’。”

（综合人民日报、央视新闻、中国科学院网站）

编辑：杨雯宇