首张黑洞图像现在变成了一部影片

去年公布的历史性的首张黑洞图像现在变成了一部影片。这段短片显示了黑洞周围环境的外观如何随着时间的推移而变化，因为它的引力搅动着周围的物质，形成一个持续的漩涡。

这些图像显示了在星系M87中心超大质量黑洞周围旋转的不对称的光斑。为了创建这些图像，事件视界望远镜（EHT）合作组织——它利用了一个覆盖全球的观测站网络——挖掘了关于黑洞的旧数据，并将这些数据与基于2019年4月发布的图像的数学模型相结合，以展示周围环境在过去八年中的演变过程。尽管这部分依赖于猜测，但结果为天文学家提供了关于黑洞行为的丰富见解，黑洞强大的引力吸入了周围的物质和光。

“由于落入黑洞的物质流动是湍流的，我们可以看到光环随着时间而摆动，”首席作者、马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的射电天文学家马切克·维尔古斯说。

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这项工作于9月23日发表在《天体物理学杂志》上，它预示了随着技术的进步，该团队在不久的将来可能会取得的成就。“在几年内，它可能真的会看起来像一部电影，”维尔古斯说。

摆动的光环

EHT合作组织去年公布的黑洞图像登上了世界各地报纸的头版头条。它描绘了M87*，位于距离地球约17兆秒差距（5500万光年）的M87星系中心的超大质量黑洞。研究人员通过结合他们在2017年4月的两个晚上从地球各地的观测站收集的射频信号构建了这幅图像。他们的壮举被比作从地球上分辨出月球表面的一个甜甜圈的形状。

尽管模糊，但该图像与阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论对黑洞周围的直接环境应该是什么样子的预测相符。特别是，它为研究人员提供了事件视界阴影的第一个直接证据，事件视界是将黑洞与其周围环境分开的“不归路”表面。这个较暗的圆盘以事件视界外由过热物质发出的光环为背景。

引人注目的是，光环的一侧看起来更亮。这是意料之中的，因为黑洞周围复杂的动力学中存在多种效应。特别是，落入空隙的物质应该在黑洞赤道之外高速螺旋运动，形成天体物理学家所说的吸积盘。不对称的外观部分与多普勒效应有关：在朝向观察者旋转的圆盘一侧，物质的运动增强了辐射，使其看起来更亮；相反的情况发生在后退的一侧。

重新审视数据

基于这些结果，维尔古斯想回到过去，查看EHT望远镜的旧数据，看看他是否可以使用2017年的图像作为指导来重新解释它们。EHT自2009年以来一直在观测M87*，最初仅使用三个位置的望远镜。随着团队将更多的观测站添加到EHT网络中，观测质量得到了提高。2017年，合作组织包括了来自夏威夷和智利到欧洲的全球八个观测站，首次达到了EHT可以产生实际图像的水平。

较旧的数据包括在2009年、2011年、2012年和2013年收集的四批数据，其中两批数据尚未发表。“在某种程度上，它们被遗忘了，因为每个人都对2017年的数据感到非常兴奋，”维尔古斯说。他与其他EHT研究人员一起重新分析了这些数据，发现它们与2017年活动的结果一致，包括存在一个暗盘和一个亮环。尽管就其本身而言，2009-13年的数据批次没有足够的分辨率来生成图像，但该团队能够通过将有限的可用数据与从2017年数据构建的黑洞数学模型相结合，为每一年生成合成图像。

结果发现，其中包含的信息比维尔古斯预期的要多。像2017年的图像一样，它们显示光环的一侧比另一侧更亮——但亮点会移动。这可能是因为吸积盘的不同区域变得更亮或更暗，这可能会增强甚至有时会抵消多普勒增亮效应。

动态圆盘

作者说，这并不令人意外：尽管M87*黑洞本身不会逐年改变，但其周围的环境会改变。在几周的时间尺度上，强大的磁场应该会搅动吸积盘并产生更热的斑点，然后这些斑点会围绕黑洞运行。2018年，一个独立的团队报告了在约1小时的时间内，热气团围绕银河系中心黑洞人马座A*运行的证据。由于M87*的质量是太阳的65亿倍，是人马座A*的1000多倍，因此M87*周围的动力学需要更长的时间才能展开。

EHT合作组织试图每年在3月下旬或4月初观测M87*和人马座A*。那时，其网络中许多站点的天气条件最有可能同时良好。由于COVID-19大流行造成的限制，2020年的活动不得不取消，但该团队希望在2021年再次有机会。如果一切顺利，包括格陵兰岛和法国的观测站将在内的更多观测站将加入这项工作。

该团队还希望明年的活动将包括首次使用较短波长辐射的全球观测。尽管通过地球大气层进行观测更具挑战性，但这将提高EHT图像的分辨率。“我们将更接近那个黑洞阴影，并获得更清晰的图像，”荷兰奈梅亨拉德布大学的射电天文学家、EHT成员萨拉·伊萨翁说。

本文经许可转载，并于2020年9月23日首次发表。