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       天文物理學(xué)家曾在 2019 年 4 月 10 日公布了人類(lèi)歷史上的首張黑洞照片，當(dāng)時(shí)引起巨大轟動(dòng)。

　　如今，一年多時(shí)間過(guò)去，人類(lèi)史上第一個(gè)黑洞演變影像問(wèn)世了。完成這個(gè)影像的研究團(tuán)隊(duì)，是一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)遍布全球的、名為事件視界望遠(yuǎn)鏡的國(guó)際觀測(cè)臺(tái)聯(lián)盟（EHT，The Event Horizon Telescope）。前述首張黑洞照片也是由這支全球聯(lián)合團(tuán)隊(duì)拍攝的。

　　照片和影像的主角，都是位于 M87 星系中心的黑洞（以下簡(jiǎn)稱(chēng) M87 黑洞）。EHT 的研究人員在依據(jù) 2017 年的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布黑洞照片后，繼續(xù)順藤摸瓜，對(duì)其在 2009 年至 2017 年間對(duì) M87 黑洞的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并以此成功生成了多張 M87 黑洞的老照片，隨后，他們將幾張照片連在一起按時(shí)間順序切換放映，于是便生成了一段 M87 黑洞在 2009 至 2017 年間的低幀演變影像。

　　

　　黑洞照片

　　M87 黑洞距地球約 5500 萬(wàn)光年。2019 年 EHT 公布的其首張照片，是由 ETH 成員天文臺(tái)在 2017 年 4 月的兩個(gè)晚上所收集的數(shù)據(jù)生成，視界的外貌，特別是中心區(qū)域不太發(fā)光的陰影，與廣義相對(duì)論對(duì)于黑洞外表模樣的預(yù)測(cè)相符，并為 “黑洞視界存在陰影區(qū)域” 提供了首個(gè)直接觀測(cè)證據(jù)。

　　　　

　　圖 | 2019 年公布的位于 M87 星系中心的黑洞的照片，圖中發(fā)光區(qū)域的內(nèi)側(cè)為黑洞視界的邊界（來(lái)源：EHT Collaboration）

　　而照片中 “發(fā)亮區(qū)域的一側(cè)看起來(lái)比另一側(cè)更亮”，也與黑洞附近的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)理論的預(yù)期相符，那些被吸入黑洞的物體會(huì)先在黑洞外圍高速旋轉(zhuǎn)，形成黑洞的吸積盤(pán)（the accretion disk），而其中發(fā)亮區(qū)域一側(cè)比另一側(cè)更亮的外觀，則是由多普勒效應(yīng)造成，也就是如果我們從照片所采用的觀測(cè)方向的反方向觀測(cè) M87 黑洞，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)黑洞的“上方” 更亮，“下方”更暗（與照片中的 “上下” 明暗分布相反）。

　　被遺忘的數(shù)據(jù)

　　基于對(duì) 2017 年 4 月兩個(gè)晚上的觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析經(jīng)驗(yàn)，EHT 的研究人員接下來(lái)又對(duì)天文臺(tái)自 2009 年起對(duì) M87 黑洞的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

　　雖然起初 EHT 在全球僅有三個(gè)地面望遠(yuǎn)鏡設(shè)施對(duì)準(zhǔn) M87 黑洞進(jìn)行觀測(cè)，且直到 2017 年才將觀測(cè) M87 的全球觀測(cè)站數(shù)量擴(kuò)充到了能實(shí)際產(chǎn)出圖像的水平（總共 8 個(gè)觀測(cè)站，地理分布上基本覆蓋全球），但 EHT 在 2017 年的數(shù)據(jù)集之前，就已經(jīng)對(duì) M87 黑洞建立了 2009、2011、2012 和 2013 四個(gè)按年份劃分的觀測(cè)數(shù)據(jù)集。

　　　　

　　圖 | EHT 觀測(cè)網(wǎng)與 M87 黑洞理論外貌隨時(shí)間的演變（來(lái)源：EHT 的 M.Wielgus 和 D.Pesce）

　　論文主要作者、哈佛大學(xué)的天文學(xué)家 Maciek Wielgus 說(shuō)：“從某種意義上來(lái)說(shuō)，這些歷史數(shù)據(jù)是被我們遺忘了，由于觀測(cè)站數(shù)量的增加，當(dāng)時(shí)大家都對(duì) 2017 年的數(shù)據(jù)興趣很大，因此在 2019 年發(fā)布的研究結(jié)果中，我們可以說(shuō)是只分析了 2017 年的數(shù)據(jù)，而沒(méi)有對(duì)那之前的數(shù)據(jù)集進(jìn)行太多處理。”

　　在本次發(fā)表的研究中，Maciek Wielgus 和同事基于之前分析數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)，把 2009 至 2013 年的四個(gè)數(shù)據(jù)集也分別生成了照片，結(jié)果與理論預(yù)期相符，與 2017 年的照片一樣，都展現(xiàn)了黑洞 “擁有視界陰影” 和由多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的 “一邊亮一邊暗” 的外貌。

　　但值得注意的是，結(jié)合 2017 年的圖像來(lái)看，在從 2009 至 2017 年總共五個(gè)數(shù)據(jù)集所分別生成的圖像中，視界的較亮區(qū)域和較暗區(qū)域應(yīng)該是在這幾年中一直都在移動(dòng)，但根據(jù)此次發(fā)表的論文所給出的說(shuō)法，這一現(xiàn)象并未“令人感到意外”。

　　明暗位置之變

　　

　　圖 | M87 黑洞的吸積盤(pán)模擬圖，旨在體現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)特征。 （來(lái)源：EHT / HOTAKA SHIOKAWA）

　　具體來(lái)說(shuō)，M87 黑洞本身其實(shí)應(yīng)該并沒(méi)有發(fā)生變化，圖像中的明暗區(qū)域移動(dòng)對(duì)應(yīng)的可能是黑洞周遭環(huán)境的變化。

　　一般來(lái)說(shuō)，在僅僅幾周的時(shí)間里，黑洞的強(qiáng)磁場(chǎng)就能攪動(dòng)吸積盤(pán)，在吸積盤(pán)中產(chǎn)生溫度極高的區(qū)域，并使其繞黑洞旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱以至于讓我們能觀測(cè)到。而由于此前的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)精度受限，比如沒(méi)有足夠多的觀測(cè)站，缺乏數(shù)據(jù)等。

　　就目前而言，此次研究所展現(xiàn)的這種明暗區(qū)域變化，也許可以說(shuō)明兩個(gè)方面，一是根據(jù)廣義相對(duì)論，事件視界的陰影直徑不會(huì)隨時(shí)間變化，二是我們剛才所提到的，可能是黑洞周遭環(huán)境中的物質(zhì)變化（比如周遭環(huán)境中的物質(zhì)密度）造成了這種現(xiàn)象，但無(wú)論如何，從 EHT 自 2009 年以來(lái)不斷提升的數(shù)據(jù)收集能力來(lái)看，人類(lèi)目前已經(jīng)初步具備了 “對(duì)宇宙中的極端物理環(huán)境” 進(jìn)行精確觀測(cè)的能力。

　　Maciek Wielgus 說(shuō)：“了解黑洞附近這種超級(jí)極端環(huán)境下的物質(zhì)間相互作用，對(duì)物理學(xué)發(fā)展來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。要知道，在沒(méi)有 EHT 之前，我們能觀測(cè)到的黑洞數(shù)據(jù)就好比是一張分辨率只有單個(gè)像素的圖片，我們能從中得知亮度的變化，但并不能清楚地知道究竟發(fā)生了什么。”

　　目前，EHT 正在分析其 2018 年所產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并計(jì)劃于 2021 年投入全球總計(jì) 10 個(gè)觀測(cè)站對(duì) M87 黑洞進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)，而如果能產(chǎn)出足夠精細(xì)的有效數(shù)據(jù)，EHT 未來(lái)針對(duì) M87 黑洞的觀測(cè)活動(dòng)或能幫助科學(xué)家們進(jìn)一步了解黑洞附近環(huán)境中物理學(xué)，甚至在學(xué)界內(nèi)激發(fā)出一些與黑洞自旋、黑洞磁場(chǎng)強(qiáng)度以及黑洞周?chē)镔|(zhì)等離子體微觀物理學(xué)有關(guān)的新見(jiàn)解。

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