人类首次看到的那个黑洞有“指纹”了
2019年EHT发布的首张黑洞照片
4月14日发布的黑洞多波段观测结果新华社发
4月14日拍摄的上海天马望远镜新华社记者 张建松 摄
还记得2019年4月10日，科学家首次公布黑洞照片吗？
来自全球32个国家或地区近200个科研机构的760名科学家和工程师组成的团队，使用19台望远镜阵同步观测，成功捕获到人类首次“看见”的那个黑洞的多波段“指纹”！
观测数据14日在全球公布。这些数据将极大加深对M87星系黑洞中央引擎及其系统的理解，并提升对爱因斯坦广义相对论的检验。
这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流的频率覆盖最广的同步观测。
第一张黑洞照片什么时候出现？
有史以来第一张黑洞照片是通过事件视界望远镜于2017年4月对M87星系中心超大质量黑洞的观测获得的。
“M87黑洞太神奇了，它喷流的辐射覆盖了整个电磁波谱，从无线电波到可见光再到伽马射线。”上海天文台副研究员江悟说，对每个黑洞而言，其在各电磁波段的辐射特征各不相同。通过收集这些辐射的“指纹”可以加深人们对黑洞性质的了解，但面临的一个挑战是这些不同频率的辐射特征往往是随着时间变化的。
上海天马望远镜参与了2017年5月9日的欧洲VLBI网（EVN）170mm观测，并贡献了最高分辨率基线。中国科学院上海天文台沈志强研究员领衔天马望远镜团队，参加了2017年3月至5月的事件视界望远镜（EHT）同步多波段VLBI国际联测及后续数据分析等，做出了贡献。
这次观测阵仗有多大？
来自32个国家或地区近200个科研机构的760名科学家和工程师组成的团队，使用19台望远镜（阵），参与了此次观测。每台望远镜都为距离地球约5500万光年的M87黑洞，提供了有关其物理行为和影响的独特信息。这些观测数据与当前和未来的事件视界望远镜观测相结合，可以让科学家对天体物理学的一些最重要和最具挑战性的研究领域进行分析。
这批新数据的公开恰逢事件视界望远镜的2021年观测，这还是自2018年以来的首次观测。2020年，原本计划的观测由于新冠疫情而被迫取消，而2019年的观测则由于未曾预料的技术问题和恶劣的天气原因被迫叫停。就在本月开始，天文学家再一次将用6天开展对M87黑洞、银河系中心超大质量黑洞（SgrA*）以及另外若干遥远黑洞的事件视界望远镜观测。
参与观测的望远镜包括哈勃望远镜，主要观测的波段是光学、紫外线；钱德拉望远镜，主要关注X射线波段；费米拉望远镜，主要关注伽马射线波段。而在地面上的先进望远镜有欧洲的VLBI阵、ALMA望远镜（世界最大的射电望远镜阵列）、天马望远镜等。
“天马望远镜今年参与的东亚VLBI网联测目前正在进行中。”上海天文台刘庆会研究员表示。
为何要如此大阵仗观测？
科学家们早就预测超大质量黑洞除了会“吸”，还会“喷”。在巨大引力驱动下，超大质量黑洞喷出的强大喷流能以接近光速的速度传播到很远，且喷流的辐射覆盖从无线电波、可见光到伽马射线的整个电磁波谱。对每个黑洞而言，其在各电磁波段的辐射特征各不相同。收集这些辐射“指纹”可以加深人们对黑洞性质的了解。
“世界各地天文学家为追求同一个目标，动用许多世界上最好的望远镜，获得一份“传世数据”，这是前所未有的。”上海天文台台长、EHT国内牵头人沈志强研究员说。
公开M87黑洞观测数据有什么用？
“这些新数据有助于充分理解首张黑洞的照片。”沈志强说。研究结果表明，当时M87超大质量黑洞周围物质产生的辐射强度处于有观测记录以来最低水平，这为看黑洞的“阴影”提供了理想的条件。
沈志强表示，现在的公开数据在于提供不同波段的数据积累，来帮助科学家进一步开展相应的理论研究。
“科学家计划使用这些数据来改进2017年黑洞图像对爱因斯坦广义相对论的检验。”上海天文台博士后赵杉杉说。
“今天发布的数据还部分解决了宇宙线的起源问题。”沈志强说。宇宙线是不断轰击地球的高能粒子，它们的能量比地球上最强大的大型强子对撞机产生的能量还要高一百万倍。宇宙线最有可能起源于今天发布的图像上显示的黑洞喷流，但这些高能粒子是在哪里被加速的，仍是疑问。黑洞周围热气体中的粒子相互碰撞会产生宇宙线，其中最高能波段的伽马射线可用来推断粒子加速的区域。研究表明，2017年的观测数据支持这些伽马射线不是在事件视界附近产生的。解决这一争论的关键是将其与2018年的数据以及本月正在观测采集的新数据进行比较。
未来的黑洞什么样？
2019年4月10日，事件视界望远镜合作组织公布了那张轰动世界的首张黑洞照片，看上去像一个橙色“甜甜圈”。今年3月24日，EHT再次发布黑洞偏正图像，这次它像“旋转烟花”。然而这都不是黑洞最“真实”的样子，随着更多数据的揭秘，人类对黑洞的认知有望更“逼近真相”。
沈志强说，幸运的是，此次同步波段观测期间，M87超大质量黑洞周围物质产生的辐射强度处于有观测记录以来的最低水平，没有耀发现象的平静状态为看清黑洞“阴影”提供了理想条件。
下一次公布的黑洞照片什么样？沈志强说，最有可能的是拖着一条“尾巴”，事实上无论是7毫米、13毫米还是170毫米的短波观测中，已经能看到黑洞喷出的高能辐射流。这将引起很有意思的研究，比如高能粒子加速机制，黑洞周围极端环境可以加速粒子产生极高能量辐射，可能比地球上最强大的人工加速器大型强子对撞机（LHC）产生的能量高一百万倍，观测数据支持这些高能辐射很有可能就来自于此次发布图像上显示的黑洞喷流。
另一个有意思的问题是，这些黑洞喷流都呈现出被“束缚”的效果，是什么让它们在长远的喷射中不向外扩散，是否有磁场包裹着它们，这些都有待科学家给予进一步解答。
人类对宇宙的好奇心从未停止。上海天文台研究员刘庆会表示：“未来天马望远镜仍将积极参与到这类国际合作中，对包括M87在内的更多黑洞天体进行观测。”综合新华社等
关于黑洞的5件事你知道吗？
黑洞也许是宇宙中最神奇的天体，因为连光都无法逃脱它的引力。从宇宙漏斗到时空穿梭机，在它身上似乎只有你想象不到的，没有它做不到的。下面关于黑洞的5件事，你知道吗？
1.黑洞源自恒星
黑洞最常见的出生地位于大质量恒星的核心。它在耗尽氢燃料之后就会坍缩，坍缩会释放出激波，将恒星的外部包层炸飞，变成一颗超新星。因此，当恒星的外部在向外爆发的时候，它的核心却在向内坍缩。当核心坍缩时，引力就会增大。如果核心的质量足够大（大约3个太阳质量），引力就会变得非常强，使得坍缩核心表面的逃逸速度超过光速。
在黑洞周围有一个区域，其中的逃逸速度等于光速，该区域被称为视界。任何发生在视界之内的事件都永远无法被视界之外的人看到。这就是宇宙漏斗的成因。
2.是体积令黑洞如此异禀
和通常所想象的不同，黑洞拥有如此怪异特性的原因并不在于它的质量有多大（毕竟比黑洞质量大的天体有的是），而在与它的体积有多小。也就是说，只有巨大的质量被塞入一个非常小的体积内之后，才能制造出黑洞。那么，到底要多小呢？假设太阳的质量不变，如果要把它变成一个黑洞，那么它的半径就要缩小232,000倍到3千米。
有意思的是，在你把太阳“挤压”成一个黑洞时，其外部的引力效应并不会发生改变。也就是说，当你蒙上地球的双眼，她全然不会察觉牵动她运动的是太阳还是黑洞。唯一发生变化的地方在已经变成黑洞的太阳的内部和附近。
3.黑洞会转动
恒星会自转，它的核心也会转动。当恒星的核心坍缩地越来越小时，它的自转就会越来越快。如果核的质量不足以形成黑洞，它就会形成一颗直径只有几千米的中子星。目前已经发现了数百颗中子星，它们自转的速度非常快，有时甚至可以达到每秒钟100圈。黑洞也是如此。即便恒星的核心已经收缩到小于视界的大小并且永远和外部的宇宙失去了联系，但它却仍然在转动。
4.黑洞附近会变得诡异
黑洞会扭曲时空结构。如果黑洞拥有自转的话，静止黑洞的球形视界就会被破坏。这会在视界之外产生一个被称为能层的椭球形区域，这个时候空间会被黑洞拖曳着运动，想悬停将是不可能的任务。在能层的内部，空间运动的速度会超过光速！按照爱因斯坦的相对论，虽然物质不可能运动得如此之快，但空间本身却可以。
5.黑洞会变大
当两个黑洞碰撞的时候会发生什么？它们会形成一个更大的黑洞。类似的，黑洞吞食其他物质也会长大。在早期宇宙中当星系正在形成时，婴儿星系核心处的物质会坍缩成一个质量极大的黑洞。随着越来越多的物质掉入其中，黑洞会贪婪地消化它们进而生长。最终它会长成一个超大质量黑洞，质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。
今天，在银河系的中心就有这么一个超大质量黑洞。它的质量是太阳的400万倍，距离太阳26,000光年。综合 新华社记者 张建松 摄
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