从“看见黑洞”到“读懂黑洞” 中国科学家领衔完成黑洞高精度“体检”
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中新网北京7月20日电 (记者 孙自法 郑莹莹)7年多前全球合作获得人类首张黑洞照片的M87星系中心超大质量黑洞，最近由中国天文学家领衔取得一项重大突破性研究进展——相当于为黑洞开展一次高精度的“空间光谱体检”，获得人类首张空间分辨的黑洞事件视界尺度谱指数图像，助力学界从“看见黑洞”到“读懂黑洞”。
这项黑洞研究的重要成果，由中国科学院上海天文台科研团队联合国外合作者共同完成，相关研究论文7月20日在国际专业学术期刊《天体物理学快报》(ApJL)上线发表。
从“看见黑洞”迈向“读懂黑洞”
研究团队介绍，得益于毫米波甚长基线干涉测量(VLBI)技术的发展，人类先后获得M87星系中心和银河系中心超大质量黑洞的视界尺度图像，实现对黑洞附近极端引力环境的直接探测。科学家得以在接近事件视界即连光都无法逃逸的边界的尺度上，研究黑洞周围的吸积物质、相对论喷流及其辐射过程。
M87黑洞事件视界尺度谱指数分布。中国科学院上海天文台 供图
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然而，单一频率(单一“颜色”)的图像主要反映黑洞周围辐射的空间结构；只有将不同频率(不同“颜色”)的观测结果结合起来，才能进一步解析辐射背后的物理性质，揭示黑洞附近等离子体的状态及其辐射机制，推动黑洞研究从“看见黑洞”迈向“读懂黑洞”。
这次研究的M87黑洞位于室女座星系团中，距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。研究团队利用2018年事件视界望远镜(EHT)和全球毫米波甚长基线干涉测量阵列获得的观测数据，对M87黑洞进行双频联合光谱研究。
他们利用1.3毫米和3.5毫米两个波段获得的黑洞视界尺度图像，通过联合分析，首次获得黑洞事件视界尺度的空间分辨谱指数分布，并揭示谱指数随距离黑洞中心变化的规律。
研究结果显示，黑洞周围辐射性质会随着距离黑洞中心的变化而发生显著改变，这一特征直观地体现在谱指数的空间分布上：在靠近黑洞中心的区域，谱指数为正，并随距离略有升高，表明该区域的辐射仍受到较强的同步辐射自吸收影响；随着距离增加，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。尤为重要的是，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。
这表明，黑洞图像中的环状结构不仅反映了辐射形态，还与视界附近等离子体的辐射状态密切相关，为理解黑洞吸积流、喷流以及视界尺度辐射过程提供了新的观测约束。
将获取更多“颜色”黑洞图像
论文第一作者，中国科学院上海天文台助理研究员赵杉杉认为，研究团队首次获得的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。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。
本项研究发现的随黑洞距离变化的示意图。中国科学院上海天文台 供图
未来，随着毫米波甚长基线干涉测量技术的持续发展以及下一代观测设施的建设，多频、高灵敏度和时变观测能力将不断提升。
通过获取更多“颜色”的黑洞图像，科学家不仅能够更加精确地诊断黑洞附近等离子体的物理状态，还有望进一步追踪吸积流和喷流结构随时间的演化过程，从而推动黑洞研究从静态结构成像迈向动态物理诊断，更深入认识黑洞周围的极端物理环境。
论文通讯作者、中国科学院上海天文台路如森研究员表示，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。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。(完)
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