天文物理學(xué)家曾在 2019 年 4 月 10 日公布了人類歷史上的首張黑洞照片，當時引起巨大轟動。

如今，一年多時間過去，人類史上第一個黑洞演變影像問世了。完成這個影像的研究團隊，是一個觀測點遍布全球的、名為事件視界望遠鏡的國際觀測臺聯(lián)盟（EHT，The Event Horizon Telescope）。前述首張黑洞照片也是由這支全球聯(lián)合團隊拍攝的。

照片和影像的主角，都是位于 M87 星系中心的黑洞（以下簡稱 M87 黑洞）。EHT 的研究人員在依據(jù) 2017 年的觀測數(shù)據(jù)發(fā)布黑洞照片后，繼續(xù)順藤摸瓜，對其在 2009 年～2017 年間對 M87 黑洞的歷史觀測數(shù)據(jù)進行了分析，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間順序切換放映，于是便生成了一段 M87 黑洞在 2009年～2017 年間的低幀演變影像。

黑洞照片

M87 黑洞距地球約 5500 萬光年。2019 年 EHT 公布的其首張照片，是由 ETH 成員天文臺在 2017 年 4 月的兩個晚上所收集的數(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，與廣義相對論對于黑洞外表模樣的預(yù)測相符，并為 “黑洞視界存在陰影區(qū)域” 提供了首個直接觀測證據(jù)。

而照片中 “發(fā)亮區(qū)域的一側(cè)看起來比另一側(cè)更亮”，也與黑洞附近的復(fù)雜動力學(xué)理論的預(yù)期相符，那些被吸入黑洞的物體會先在黑洞外圍高速旋轉(zhuǎn)，形成黑洞的吸積盤（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方向的反方向觀測 M87 黑洞，我們會發(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 2017 年 4 月兩個晚上的觀測數(shù)據(jù)的分析經(jīng)驗，EHT 的研究人員接下來又對天文臺自 2009 年起對 M87 黑洞的歷史觀測數(shù)據(jù)進行了分析。

雖然起初 EHT 在全球僅有三個地面望遠鏡設(shè)施對準 M87 黑洞進行觀測，且直到 2017 年才將觀測 M87 的全球觀測站數(shù)量擴充到了能實際產(chǎn)出圖像的水平（總共 8 個觀測站，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 M87 黑洞建立了 2009年、2011年、2012年和 2013年四個按年份劃分的觀測數(shù)據(jù)集。

論文主要作者、哈佛大學(xué)的天文學(xué)家 Maciek Wielgus 說：“從某種意義上來說，這些歷史數(shù)據(jù)是被我們遺忘了，由于觀測站數(shù)量的增加，當時大家都對 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，我們可以說是只分析了 2017 年的數(shù)據(jù)，而沒有對那之前的數(shù)據(jù)集進行太多處理?！?/p>

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，把 2009年～ 2013 年的4個數(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 年的圖像來看，在從 2009～2017 年總共五個數(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，但根據(jù)此次發(fā)表的論文所給出的說法，這一現(xiàn)象并未“令人感到意外”。

明暗位置之變

具體來說，M87 黑洞本身其實應(yīng)該并沒有發(fā)生變化，圖像中的明暗區(qū)域移動對應(yīng)的可能是黑洞周遭環(huán)境的變化。

一般來說，在僅僅幾周的時間里，黑洞的強磁場就能攪動吸積盤，在吸積盤中產(chǎn)生溫度極高的區(qū)域，并使其繞黑洞旋轉(zhuǎn)，進而繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱以至于讓我們能觀測到。而由于此前的歷史觀測數(shù)據(jù)精度受限，比如沒有足夠多的觀測站，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，也許可以說明兩個方面，一是根據(jù)廣義相對論，事件視界的陰影直徑不會隨時間變化，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，但無論如何，從 EHT 自 2009 年以來不斷提升的數(shù)據(jù)收集能力來看，人類目前已經(jīng)初步具備了 “對宇宙中的極端物理環(huán)境” 進行精確觀測的能力。

Maciek Wielgus 說：“了解黑洞附近這種超級極端環(huán)境下的物質(zhì)間相互作用，對物理學(xué)發(fā)展來說至關(guān)重要。要知道，在沒有 EHT 之前，我們能觀測到的黑洞數(shù)據(jù)就好比是一張分辨率只有單個像素的圖片，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?！?/p>

目前，EHT 正在分析其 2018 年所產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)，并計劃于 2021 年投入全球總計 10 個觀測站對 M87 黑洞進行進一步觀測，而如果能產(chǎn)出足夠精細的有效數(shù)據(jù)，EHT 未來針對 M87 黑洞的觀測活動或能幫助科學(xué)家們進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、黑洞磁場強度以及黑洞周圍物質(zhì)等離子體微觀物理學(xué)有關(guān)的新見解。

（摘自美《深科技》）（編輯/華生）