【每日科普】人的指纹可以识别身份，那黑洞的“指纹”能干什么呢？
来自全球32个国家和地区、近200个科研机构的760名科学家和工程师组成的团队，使用19台望远镜阵同步观测，成功捕获到人类首次“看见”的那个黑洞的多波段“指纹”。
作为东亚地区灵敏度最高的长毫米波射电望远镜，中科院上海天文台65米口径的天马望远镜也参加了全球2个望远镜阵、3个波段的同步观测。
今天我们来研究一下：
黑洞多波段“指纹”可以告诉我们什么？
公开的数据可以用来做什么呢？
在此次观测中我国做出了哪些贡献？
M87的EHT多波段协同观测结果，图源科学大院
黑洞的“指纹”
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，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。
因此，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，图源科学大院
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。
M87黑洞观测数据的作用
中国科学院上海天文台研究员沈志强表示：这些新数据有助于充分理解首张黑洞的照片。
研究结果表明，当时M87超大质量黑洞周围物质产生的辐射强度处于有观测记录以来最低水平，这为看黑洞的“阴影”提供了理想条件。
2019年EHT发布的首张黑洞照片，图源科学大院
上海天文台博士后赵杉杉介绍：这些新数据也将有助于解决最具挑战性的问题。科学家计划使用这些数据来改进2017年黑洞图像对爱因斯坦广义相对论的检验。
“发布的数据还部分解决了宇宙线的起源问题。”沈志强说。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大型强子对撞机产生的能量还要高一百万倍。
宇宙线最有可能起源于此次发布的图像上显示的黑洞喷流，但这些高能粒子是在哪里被加速的，仍有许多疑问。黑洞周围热气体中的粒子相互碰撞会产生宇宙线，其中最高能波段的伽马射线可以用来推断粒子加速的区域。
图源网络
最新研究表明，至少2017年的观测数据支持这些伽马射线不是在事件视界附近产生的。解决这一争论的关键是将其与2018年的数据以及本月正在观测采集的新数据进行比较。
这些观测数据与当前和未来的事件视界望远镜观测相结合，可以让科学家对天体物理学的一些最重要和最具挑战性的研究领域进行分析。
阿姆斯特丹大学的合作者塞拉·马尔科夫说：“粒子的加速机制是我们理解黑洞照片和喷流的关键。喷流将黑洞释放的能量运送到远比宿主星系尺度还要大许多的地方，就像一根巨大的能量传送带。这些数据将帮助我们估算携带的能量以及黑洞的喷流对其环境的反馈。”
图源网络
天马射电望远镜
对黑洞这个神秘天体进行抽丝剥茧、精细研究是非常巨大的工程，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。
在这次M87黑洞的EHT多波段协同观测，天马参与了其中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。
上海天马射电望远镜，图源科学大院
上海天马望远镜参与了2017年5月9日的欧洲VLBI网（EVN）170mm观测，并贡献了最高分辨率基线。
同时，作为东亚地区灵敏度最高的长毫米波射电望远镜，天马望远镜全程参与了2017年3月至5月期间东亚VLBI网（EAVN）在13mm和7mm对M87共16次事件视界望远镜协同观测。
有效接收面积大于其他毫米波VLBI台站的总和，把东亚VLBI网成图质量提高了50%，为M87黑洞成像的流量校准做出了贡献。这也是国内射电望远镜在7mm工作波长首次成功参加国际VLBI联合观测。
“天马望远镜今年参与的东亚VLBI网联测目前正在进行中。”上海天文台研究员刘庆会表示：“未来，上海的天马望远镜仍将积极参与到这类国际合作中，对包括M87黑洞在内的更多黑洞天体进行观测。”
来源 | 陕西科普
责任编辑 | 李梦