M87黑洞阴影、吸积流和喷流一起成像的全景图（中国科学院上海天文台供图）
人类首次“看见”黑洞七年之后，中国科学家又朝“读懂”黑洞迈出了关键一步。记者从中国科学院上海天文台获悉，该台科研人员与国际合作者利用2018年观测数据，首次获得了M87星系中心超大质量黑洞在事件视界尺度的空间分辨谱指数图像。这就好比为远在5500万光年之外的黑洞完成了一次高精度的“空间光谱体检”。7月20日，相关成果近日发表于国际天文学期刊《天体物理学快报》。
七年，从“单色图”到“双色照”
2019年，事件视界望远镜（EHT）合作组发布了人类历史上第一张黑洞照片——M87星系中心黑洞的图像，让人类首次“看见”了黑洞。此后，科学家又获得了银河系中心黑洞的图像。
然而，这些单一频率的图像好比颜色单一的“黑白照”，主要反映的是黑洞周围辐射的空间结构——要真正理解黑洞附近极端环境中的物理过程，还必须把不同频率的图像结合起来看。
为此，上海天文台助理研究员赵杉杉、研究员路如森等科研人员与合作者一起，利用2018年EHT和全球毫米波VLBI阵列的观测数据，在1.3毫米和3.5毫米两个波段同时对M87黑洞开展成像分析。
通过联合两个“颜色”的图像，研究团队首次计算出黑洞事件视界尺度上辐射强度随频率变化的规律——即“谱指数”的空间分布。论文第一作者赵杉杉解释，谱指数就像天体的“光谱指纹”，能揭示辐射的物理机制，“不同的辐射过程会留下不同的‘指纹’”。
“甜甜圈”与真实物理状态密切相关
研究结果揭示了黑洞周围辐射性质的显著径向变化。在靠近黑洞中心的区域，谱指数为正且随距离略有升高，表明该区域的辐射仍受到较强的“自吸收”效应影响——就像浓雾中的灯光会被雾气自身吸收一部分一样。而随着远离黑洞中心，谱指数逐渐下降并由正转负，显示辐射逐渐过渡到“光学较薄”状态。
M87黑洞事件视界尺度谱指数分布（左）及随黑洞距离的变化（右）
尤为关键的是，这一转变发生在距离黑洞中心约30微角秒的位置，与3.5毫米波段观测到的环状结构尺度一致。这说明，黑洞图像中那个标志性的“甜甜圈”光环，不仅反映了辐射的形态，更与视界附近等离子体的真实物理状态密切相关。
“我们首次获得的M87黑洞事件视界尺度谱指数空间分布，定量揭示了黑洞周围辐射性质的径向变化规律。”论文通讯作者路如森表示，这使天文学家能够直接研究视界尺度等离子体状态随空间尺度的变化，并为理解吸积流与喷流形成过程提供新的线索。
从“看见黑洞”迈向“读懂黑洞”
这一成果标志着黑洞研究从“看见黑洞”的静态成像阶段，迈向了“读懂黑洞”的物理诊断阶段。“未来，多频视界尺度成像将成为诊断黑洞附近等离子体物理状态的重要窗口。”路如森相信，随着观测能力的不断提升，多频观测有望帮助区分辐射过程与引力效应在黑洞图像中的贡献，从而为研究黑洞吸积与喷流机制以及探索强引力物理提供新的观测途径。
随着毫米波VLBI技术的持续发展以及下一代观测设施的建设，科学家将有望获取更多“颜色”的黑洞图像，更精确地诊断黑洞附近等离子体的物理状态，并追踪吸积流和喷流结构随时间的演化，从而更深入地“读懂”黑洞这一宇宙中最神秘天体。
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