又有新消息！人类获取了M87黑洞的“指纹”
大家还记得2019年事件视界望远镜（EHT）发布的首张黑洞照片吗？这是有史以来第一张黑洞照片，首次揭开了黑洞这个宇宙中神秘天体的面纱——M87黑洞的阴影以及环绕的光环（EHTC，2019）。
2019年EHT发布的首张黑洞照片
（图片版权：EHT合作组织）
经过近两年时间针对偏振数据的进一步处理和分析，EHT于2021年3月又发布了该黑洞在偏振光下的影像（EHTC，2021）。这幅偏振图像提供了有关黑洞外缘磁场结构的信息，是理解磁场如何让黑洞“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流的关键（路如森等，2021）。
偏振光下M87超大质量黑洞的图像
（图片版权：EHT合作组织）
其实，在2017年对M87进行观测时，科学家还做了一件很了不起的事情。来自全球32个国家或地区近200个科研机构的760名研究人员组成的团队，通过协调包括地面和空间最先进的19台望远镜（阵），收集了M87在整个电磁波谱范围内的辐射，即对黑洞进行多波段联测。
这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流开展的频率覆盖最广的同步观测，将帮助我们更好地了解黑洞与喷流之间的深层联系，相关数据于2021年4月14日发表在《天体物理学杂志通讯》上。
黑洞多波段联测可以告诉我们什么？
黑洞及其喷流是宇宙中最神秘也是最壮观的天体之一。超大质量黑洞的巨大引力不仅可以牵引周围物质围绕它高速旋转形成吸积盘，也可以将一部分粒子以喷流的形式往外发射，并使其以接近光速的速度传播到很远的距离。
我们知道，加速运动的电子或质子都会产生辐射，这也是我们从地面能够接收到关于黑洞及其喷流信号的来源。
每个黑洞在各电磁波段的辐射特征均不相同，类似于人类的指纹。通过收集这些辐射的“指纹”可以使人们深入了解黑洞的性质，但面临的挑战是这些不同波段的辐射往往会随着时间变化。M87喷流的辐射覆盖了从无线电波到伽马射线的整个电磁波谱。
典型黑洞及其喷流的辐射模型，不同颜色表示不同波段辐射产生的区域（Marscher et al. 2008）
2017年，在对M87进行EHT观测时（江悟等，2019），科学家预感这次可能会以前所未有的超高分辨率捕获到黑洞的图像，所以通过EHT合作成员和外部合作伙伴的共同努力，协调了包括地面和空间最先进的望远镜同步观测，以收集整个电磁波谱范围内的辐射，将时变影响降到最小。
参与EHT多波段工作组合作观测的望远镜（阵）
搭建的辐射模型
射电望远镜阵
事件视界望远镜（EHT），欧洲VLBI网（EVN），高灵敏度阵列（HSA），东亚VLBI网（EAVN），甚长基线阵列（VLBA），全球毫米波VLBI阵列（GMVA）; 红外望远镜阵：甚大望远镜干涉仪（VLTI / GRAVITY）；紫外望远镜：尼尔·盖勒斯·斯威夫特天文台（Swift）；光学望远镜：Swift和哈勃太空望远镜（HST）；X射线望远镜：钱德拉X射线天文台（Chandra），核光谱望远镜阵列（NuSTAR），Swift，高通量X射线光谱任务和X射线多镜任务（XMM-Newton）；伽马射线望远镜（阵）：费米大面积空间望远镜（Fermi-LAT），高能立体望远镜系统（H.E.S.S.），大型大气伽玛射线契伦科夫望远镜（MAGIC），甚高能辐射成像望远镜阵列系统（VERITAS）
这次联测的观测频率从低频射电到可见光再到X射线和高能伽马射线，跨域了17个数量级，对M87黑洞的解读在物理尺度上也从超高分辨率的EHT到超高能费米空间望远镜跨越了8个量级，是迄今最全的多波段同步观测结果，显得格外珍贵和极具科学价值。
M87的EHT多波段协同观测结果
（EHT合作组织多波段工作组）
这次解读还有两大优势，一是可以从直接EHT成像结果确定黑洞周围的辐射来自相对论性电子的同步加速辐射。科学家假定其他波段的能谱也来自相同区域时发现，它并不能提供足够强的特别是高能伽马射线波段的能谱，从而基本确定伽马射线辐射不是来自于我们看到的黑洞事件视界附近；
另一个发现是2017年EHT观测期间，M87核区的活动处于有观测记录以来最平静的阶段，这样再结合2018年和2021年正在进行的后续多波段联测，就可以将不同波段能谱的变化和辐射区域对应起来，进而研究各波段的辐射来源。
虽然我们现在已经目睹了黑洞的真容（路如森等，2019），并对其电磁辐射实现了全波段的准同时覆盖，但是仍然存在诸多不确定性，有待我们进一步去探索。比如，我们所能探测到的电磁辐射的产生过程是什么样的？
此次发布的研究成果还有助于帮助我们了解“宇宙线”的起源。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人工加速器大型强子对撞机产生的能量高一百万倍。
此次研究表明，至少在2017年观测到的伽马射线不是在黑洞的事件视界附近产生的。最活跃的宇宙线最有可能起源于巨大的黑洞喷流，但有关细节仍有许多疑问，包括被认为最高能量的伽马射线的这类宇宙线来源的精确位置。
就像笔者在利用望远镜搭建辐射模型时，还是不确定将接收伽马射线的四台望远镜放在模型中红外和毫米波辐射之间，还是放在更接近黑洞的位置。
幸运的是，这一争论有望通过比较2018年以及2021年正在进行的观测得到解决。
从标志性的M87 黑洞照片开始，该视频带领观众看到每个望远镜捕捉到的关于黑洞及其喷流的历程。每一帧呈现的数据在观测波长和物理尺度上都跨越了数十倍。从2019年4月发布的EHT捕获（数据是2017年4月采集的）的M87黑洞图像开始，然后按视场从小到大放映由全球不同射电望远镜阵获得的高分辨率图像（方框对应的以光年为单位的尺度显示在右下角）；然后画面切换到可见光（Hubble和Swift）、紫外（Swift）和X射线（Chandra 和NuSTAR）空间望远镜，画面中同时显示了射电、可见光/紫外和X射线的图像，为了便于比较，它们都显示在了相同的天区中；最后以地面伽马射线望远镜和费米空间望远镜检测到的黑洞及其喷流的图像结尾。
（视频来源：EHT合作组织多波段工作组）
大厦之成，非一木之材
对黑洞这个神秘天体进行抽丝剥茧，以无与伦比的维度进行精细研究是非常巨大的工程，汇聚了全球的力量，笔者有幸参与其中。让笔者最为感慨的是：罗马不是一天建成的，同时，大厦之成，非一木之材也！这次探测集齐了19台望远镜（阵），各望远镜（阵）前期都汇聚了无数人的心血和智慧。
以在其中发挥重要作用的天马射电望远镜为例，这个射电望远镜距离上海市中心30多公里，因旁边有个天马山而得名。
最早可以追溯到上世纪90年代上海天文台老一代天文学家就提出了建设大口径射电望远镜的计划。2008年10月底立项，2012年10月28日落成（沈志强，2013），由中国科学院和上海市共同建设，口径达65米，全方位可动的大型射电天文望远镜。在我国历次嫦娥探月工程和现在正在进行的“天问一号”火星探测任务中都发挥了重要作用（刘庆会等，2017）。
上海天马射电望远镜
难能可贵的是，天马不仅紧锣密鼓地执行深空探测任务，还充分利用每一分时间来做天文观测研究。比如这次M87黑洞的EHT多波段协同观测，天马就参与了其中2个望远镜阵，3个波段的甚长基线干涉测量（VLBI）观测，均发挥了重要作用。
天马自建成后的第二年（2014年）春季就参加到欧洲VLBI网（EVN）的国际联测中，EVN其实包括了来自亚洲、欧洲、美洲和非洲等地射电望远镜的参与。
2017年5月9日，包括天马在内的EVN中9个台站参加了170mm波段对M87的EHT协同观测，作为最低频率观测数据。从台站分布地图可以看到天马处于EVN参与联测台站中的最东方，在最高分辨率的基线上有天马这个大口径天线，对M87的东西方向喷流成图有极大的帮助。
另外，大家也许注意到天马和阿雷西博射电望远镜（在FAST之前，它是世界最大口径的射电望远镜）在这次观测中同时出现的场景。
事实上两者处于地球的两端，不能同时看到M87这颗目标源，但是通过中间欧洲大陆台站的连接，最后成图时就能将两者的贡献体现出来，这也许就是VLBI技术的神奇之处吧。
EVN于2017年5月9日对M87的EHT协同观测 （左上：EVN台站分布；左下：EVN台站对M87的空间采样，其中红色轨迹为天马相关基线；右下：天马和阿雷西博的条纹相位；右上：EVN在170mm对M87的VLBI成图。）
我们知道，观测频率越高（波长越短），对望远镜的性能要求就越高。在天马加入之前，东亚地区韩国和日本的毫米波VLBI台站口径大都是20米级。作为在东亚地区能工作到毫米波段最大的射电望远镜，天马的有效接收面积比其余东亚毫米波VLBI台站的总和还要大，因此天马在东亚VLBI网（EAVN）中的地位举足轻重。
在天马高频毫米波观测系统调试期间，我们就得到了来自国内同行单位如新疆天文台南山射电望远镜的支持。
作为国内首台具备在7mm工作波长开展VLBI观测的射电望远镜，这个波段的调试亦得到来自韩国和日本的毫米波VLBI阵的配合，使得我们在2017年EHT协同观测前夕13mm和7mm这两个毫米波段的VLBI系统调试成功。
2017年3月18日至5月26日的16次EHT协同观测期间（8次单独观测了M87，6次同时观测了M87和银心黑洞，2次单独观测了银心黑洞，每次7-10小时不等），因为是首次参加毫米波的国际联测，我们还及时通过高速网络交换了观测的部分原始数据，检查观测的初步结果是否正常，最终按计划顺利完成了所有联测，为EAVN的协同观测增添了浓重一笔。
EAVN于2017年3月18日至5月26日对M87的EHT协同观测 （左上：EAVN台站分布；左下：不同EAVN台站之间的干涉条纹，其中天马相关基线的条纹相位弥散度最小，表明其具备最高灵敏度；右上：EAVN在13mm波段对M87的VLBI成图；右下：EAVN在7mm波段对M87的VLBI成图。）
至今仍记忆犹新的是，在明确要参加EHT协同观测的前两周，我们发现在13mm和7mm两个波段的测试观测始终得不到干涉条纹，意味着天马的观测有可能被取消。
幸运的是，天马团队全力以赴，拉着国外望远镜反复试验，经过十多天的摸查终于定位到问题所在，是因为一处接线的接头松动所致。最后有惊无险地参与和成功完成此次跨两个月对M87黑洞的联合VLBI监测。
后记
目前恰逢2021年EHT观测和多波段同步观测，天马已经轻车熟路，不再有首次参加时的仓促。
天文人深知宇宙的浩瀚和自身的渺小，对未知的探索需要团队的力量，我们VLBI领域本身的特点更需要和追求广泛的合作。具体到天马这一个单元，其系统的复杂性需要各个环节专业的研究人员将各自工作做到极致才能达到最优性能。天马已经得到国家任务和天文科学观测的历练，我们相信它能继续向前迈进，大放异彩。
特别鸣谢日本国立天文台Kazuhiro Hada和崔玉竹提供M87的欧洲VLBI网和东亚VLBI网图像。
参考文献：
[1] Marscher, A., Francesca, J., D’Arcangelo, D., et al. 2008. The inner jet of an active galactic nucleus as revealed by a radio-to-γ-ray outburst. Nature, 452, 966 (Marscher et al. 2008)
[2] Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. ApJL, 875, L1 (Event Horizon Telescope collaboration et al. 2019)
[3] Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021. First M87 Event Horizon Telescope Results VII: polarization of the ring. ApJL, 910, L12 (Event Horizon Telescope collaboration et al. 2021)
[4] Algaba, J., Anczarski, J., Asada, K., et al. 2021. Broadband multi-wavelength properties of M87 during the 2017 Event Horizon Telescope campaign. ApJL, 911, L11 (Algaba et al. 2021)
[5] http://65m.shao.cas.cn/
[6] 沈志强，2013。上海 65 米射电望远镜。科学，第65卷，第3期，15 (沈志强，2013)
[7] 刘庆会, 昌胜骐, 黄勇, 等，2017。火星探测器跟踪及VLBI测定轨分析。中国科学:物理学 力学 天文学，47, 9 （刘庆会等，2017）
[8] 江悟，路如森，高峰，2019。首张黑洞照片参与者亲述：我们怎样给黑洞拍照。（返朴）
路如森，左文文，2019。世界首张黑洞照片出炉，中国科学家有啥贡献？（赛先生）
[9] 路如森，江悟，沈志强，2021。黑洞偏振图像发布！M87黑洞又有新头像了（科普中国）
本文由科普中国融合创作出品，江悟，沈志强，路如森（中国科学院上海天文台）制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
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