集天地之力探黑洞之形——关于M87超大质量黑洞的最新研究进展
翻译：遠山真理
校对：刘思慧
编排：苏奕月
后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永威
原文链接：https://alma-telescope.jp/news/m87mwl-202104
以下观测成果发表于2021年4月14日的天体物理学报：Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign
数据公开于：https://doi.org/10.25739/mhh2-cw46
2017年4月，以事件视界望远镜EHT为首的地面望远镜以及涵盖了无线电波，可见光/紫外，X射线，伽马射线波段的众多空间望远镜一起对椭圆星系M87中心的超大质量黑洞进行了观测。综合数据表明这个超大质量黑洞处于非常稳定的状态。科学家们通过比较观测结果与理论模型的发现，伽马射线的发射区域很可能与EHT所观测到的环形无线电波发射区并不相同。这一结果表明从超大质量黑洞中发射出的喷流可能具有极其复杂的构造，并为解明黑洞喷流的形成与多样的电磁波发射机制提供了重要的线索。
图片来源：事件视界望远镜EHT，阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)，欧洲甚长阵列干涉仪网络EVN，东亚甚长阵列干涉仪网络EAVN，超长基线阵列VLBA (NRAO)，全球毫米波甚长基线阵列GMVA，哈勃空间望远镜，尼尔·格雷尔斯雨燕天文台，钱德拉X射线天文台，核光谱望远镜阵列NuSTAR，费米伽马射线太空望远镜，高能立体视野望远镜H.E.S.S，大气伽马射线契伦科夫望远镜MAGIC，高能射线望远镜阵列VERITAS，美国国家航天局NASA，欧洲空间局ESA
M87中心的超大质量黑洞在不同波段上的观测图像，不同的望远镜所观测的波段不同，根据分辨率观测到的尺度也不同，其中左上角的ALMA观测图像与哈勃空间望远镜的可见光/紫外图像与右上角钱德拉卫星观测到的X射线图像为同一尺度下的视角。
椭圆星系M87位于地球向处女座方向5500万光年处。其中心潜伏着约有65亿个太阳质量的超大黑洞。虽然黑洞是一种扭曲其周围空间并吞噬光芒的存在，但其附近的超高能气体也会形成细长的喷流。M87正是第一个被发现有这种喷流的天体。然而形成这种喷流的机制仍然未被解明。
2017年4月，集结了地球上8台无线电波望远镜的事件视界望远镜EHT成功拍摄到了M87超大质量黑洞的影子。然而EHT的图像并没有显示黑洞周围应当存在的喷流，黑洞周围的详细构造依然不得而知。另一方面，M87的黑洞属于“活动星系核”，从无线电波到伽马射线波段的光度都会有强烈的变化。EHT拍摄时其活动的状态也是一个未解之谜。
实际上为了减少这种变光特性对结果的影响，2017年4月全世界许多其他的望远镜也同时对M87超大质量黑洞进行了观测。东亚，欧洲，南北美，非洲，夏威夷岛，加那利群岛的无线电波望远镜，可见光望远镜，伽马射线望远镜以及在地球轨道上的可见光/紫外线望远镜，X射线望远镜，伽马射线望远镜等等共计19台。通过对M87超大质量黑洞的多波段同时观测，人们得以从多个视角来分析其喷流的性质，超大质量黑洞喷流的观测是天文学史上最为宏大的一项计划。
该图展示了各台望远镜对M87超大质量黑洞的观测日期，均集中在2017年3月至5月。
该图展示了阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列拍摄的M87黑洞喷流。
多台望远镜同时观测的结果展现了喷流从距离中心黑洞0.3光年处延展到5000光年处的的宏伟姿态，这也是史上第一次在如此广的波段上拍摄出喷流的“彩色”图像。
参与了本次观测的中日韩三国利用东亚甚长阵列干涉仪网络（EAVN）对刚从黑洞中产生的喷流形状与光度进行了测定，领导了EAVN数据分析的综合研究大学院博士生，日本国立天文台水泽VLBI观测所的崔玉竹博士表示：“为了解明天文学最大谜题之一的黑洞喷流，我们需要同时依赖于擅长拍摄黑洞本体附近的事件视界望远镜与擅长拍摄喷流的甚长基线阵列望远镜，本次的共同观测是这项研究的一个里程碑。”
日本国立天文台水泽VLBI观测所的秦和弘助教和EHT国际多波段科学合作组的负责人麦吉尔大学的达利尔・哈加德副教授表示：“现在全世界有着很多迫不及待地想确认自己的理论与观测是否相符的课题组，通过数据的公开，我们期待着研究者们能自由地使用这些数据并进一步理解黑洞与喷流的关系。”
同合作组的负责人阿姆斯特丹大学的塞拉・马尔可夫教授表示：“最大的谜题之一是：我们捕捉到的电磁波是如何产生的。EHT的照片与其他望远镜提供了丰富的数据，想必能为将黑洞的“影子”和喷流联系起来的理论体系提供助力吧。
本次观测的波长段中，根据X射线，伽马射线的高能电磁波辐射数据的分析，EHT进行拍摄的2017年4月是该超大质量黑洞活动非常平稳的一个时期。当黑洞活跃的时候，包括无线电波在内的电磁波辐射都会有增强，但本次观测到的辐射并不特别强。
研究组使用日本国立天文台的超级计算机ATERUI Ⅱ进行了数值模拟和理论研究，通过与无线电波和伽马射线波段的数据比较，试图来理解平稳期黑洞周围的模样。基于简单的理论模型计算，至少在本次EHT观测的时期，黑洞周围的无线电波发射区域与伽马射线的发射区域是不相同的。在ATERUI Ⅱ上进行了数值模拟研究的东京大学宇宙线研究所的川岛朋尚研究院表示：“迄今为止人们一直以为EHT所观测到的无线电波与最高能的电磁波伽马射线是从同一个位置发射出来的。这次多波段同时观测的结果是对以往理论的一次冲击，可以预见这个领域的理论与数值模拟研究即将会迎来一个急速发展的时期。”
另外，伽马射线望远镜MAGIC对比无线电波能量高出了10个数量级的伽马射线进行了观测，其着眼于象征着黑洞活动性的耀斑。MAGIC观测的领导人——东京大学宇宙线研究所的的丹尼尔・马金副教授表示：“我们本次与EHT以及世界范围内其他波段的望远镜共同合作，对M87进行了高频的监视观测。2017年MAGIC的观测气象条件十分良好，总计获取了27个小时的高质量观测数据。虽然在结果中并没有发现在以往观测中出现过的强烈耀斑，但获得了关于平稳期的黑洞辐射的重要情报。
本次观测成果也有助于了解飞向地球的高能宇宙射线的起源。宇宙射线的能量可以达到粒子加速器的100万倍。人们认为这种高能宇宙射线的起源很可能是超大质量黑洞的喷流，但尚未有足够的证据支持。本次的高能伽马射线观测便为此提供了线索，观测表明至少在2017年的时间点，超大质量黑洞的事件视界周围并没有伽马射线产生，要推进这项研究还需要在其他不同时间点上进行观测。
本次研究可以说是究明黑洞喷流构造与成因的第一步。2018年EHT也进行了观测，2021年则加入了另外三台望远镜，现在正是在进行观测的时期。通过比较不同时期的观测数据，黑洞活动性的差异和与此相关的喷流构造，黑洞周围物质的性质，磁场构造等与黑洞相关的谜题可以期待在未来将被逐一解开。
EHT国际多波段科学研究组的负责人之一，同时也统括了该研究全体的日本国立天文台水泽VLBI观测所的秦和弘助教表示：“这项研究是EHT和全世界各波长望远镜的一次团结合作，总计32个国家与760余名研究者的共同成果。我们今后也会继续与EHT进行同时的协同观测，来解明超大质量黑洞的活动性与喷流之谜。"
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距离地球最近的类星体“马卡良231”（Markarian231）中隐藏着超大质量双黑洞
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