天文學家首次同時拍攝到M87黑洞吸積流和強大噴流

為了觀測黑洞，全球電波望遠鏡成立兩個國際合作計劃，由分佈各地的望遠鏡連線，構成和地球一樣大的虛擬望遠鏡，包括「事件視界望遠鏡 」（Event Horizon Telescope，簡稱 EHT）及「全球毫米波特長基線陣列」（Global mm-VLBI Array，簡稱 GMVA）射電望遠鏡，分別以不同的波長頻段觀測。事件視界望遠鏡用1.3毫米波長觀測取得黑洞的陰影影像，而全球毫米波特長基線陣列則使用3.5毫米波長觀測，重點在於捕捉黑洞附近的吸積和噴流性質。其中事件視界望遠鏡已於2019年及2022年公佈人類史上第一張及第二張黑洞影像照片。

此次黑洞吸積流及噴流成像則是2018年阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列射電望遠鏡（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，簡稱 ALMA）與格陵蘭望遠鏡（Greenland Telescope，簡稱 GLT）加入全球毫米波特長基線陣列射電望遠鏡全球連線觀測的成果。由於加入這二座望遠鏡，使得跨洲望遠鏡連線分辨率和靈敏度提高，首度能在3.5毫米波長下對M87星系中心的環狀結構成像，強化全球毫米波特長基線陣列計劃的成像能力。中央研究院天文所副研究員暨論文通訊作者淺田圭一表示：「由於格陵蘭望遠鏡和阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列射電望遠鏡加入全球毫米波特長基線陣列射電望遠鏡的3.5毫米觀測，與事件視界望遠鏡 的結果相比，我們有足夠的角分辨率，能分解出核心周圍更厚更大的環，這主要與M87超大質量黑洞周圍的吸積流有關。」

測得的環直徑為64微角秒，相當於太空人在月球上回望地球時看到的自拍環形補光燈的大小（約13公分），全球毫米波特長基線陣列射電望遠鏡比事件視界望遠鏡用1.3毫米波長觀測到的直徑大50%，與該區域的相對論性等離子輻射相符。

中央研究院天文所研究員、格陵蘭望遠鏡計劃主持人松下聰樹強調：「這是我們將望遠鏡搬到格陵蘭並在那裡重新組裝後的第一個科研成果。格陵蘭望遠鏡計劃從14年前開始，我們終於公佈第一個結果，這真是太好了！」中央研究院天文所研究員兼夏威夷運轉副所長陳明堂也表示：「將望遠鏡改造以適應極端寒冷的天氣並搬到格陵蘭島重新組裝，這對我們來說的確是一個巨大挑戰。但本所與國家中山科學研究院的工程師和技術人員，一起實現這一個目標！」

中德馬普伙伴小組（Max Planck Research Group at the Chinese Academy of Sciences）組長、現任中國科學院上海天文台研究員路如森（Ru-Sen Lu）表示：「以前我們在不同的影像中分別看到黑洞和噴流，但現在用新的觀測波長拍攝到了黑洞及其噴流的全景照片。」周圍的物質被認為在吸積過程中落入黑洞，但之前沒有辦法直接對它成像。路如森補充道：「這次用3.5毫米波長觀測我們之前看到的環，發現它變大變厚。這說明新的影像中看到落入黑洞的物質產生額外的輻射，可以讓我們對黑洞附近的物理過程有更完整的了解。」

M87黑洞周圍發出的光是由高能電子和磁場間的相互作用產生，這種現象稱為同步輻射。在3.5毫米波長進行的新觀測揭開這些電子的位置和能量的更多細節，還告訴我們一些關於這個黑洞本身的性質：它不是很餓！它以低速率消耗物質，僅將一小部分物質轉化為輻射。主導論文理論模型的教育部玉山青年學者、國立台灣師範大學卜宏毅助理教授解釋：「利用數值模擬黑洞環境並建立黑洞系統輻射特徵的理論模型，我們確定影像中的環狀結構與吸積流有關。此研究成果仰賴了在不同頻率的高解析度觀測。」

日本國立天文台的秦和弘助理教授補充道：「我們在資料中還發現一些令人驚訝的事：靠近黑洞的內部區域發出的輻射比我們預期的要寬。這可能意味著不僅有氣體落入其中，也有風吹出來，導致黑洞周圍出現紊流和混沌。」

對M87黑洞的探索並未結束，因為一系列強大望遠鏡的進一步觀測將持續解開它的秘密。韓國天文研究院、也是前中央研究院天文所博士後研究人員的朴鐘浩博士說：「未來毫米波的觀測將探索M87黑洞隨時間的演化，並提供黑洞在電波波段的多種影像。」

東亞天文台台長賀曾樸院士表示：「由台灣主導的格陵蘭望遠鏡和以台灣為重要合作夥伴的阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列射電望遠鏡，所提供的資料提高了觀測靈敏度和解析度，從而導致這個新發現。 同時也看出使用3.5毫米觀測的全球毫米波特長基線陣列射電望遠鏡比我們最初預期的強大得多。今年東亞天文台的麥士維次毫米波望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，簡稱 JCMT）也已加入此陣列。利用ALMA-GLT-JCMT創造出的金三角將成為全球特長基線干涉測量法（Very-long-baseline interferometry，簡稱 VLBI）陣列的基柱，未來計劃拍攝黑洞附近的影片，使我們能探索物質如何吸積到黑洞以及如何從黑洞附近噴發出來。」

【圖：美國國家射電天文台；文：節錄自台灣中央研究院天文及天體物理研究所科2023年4月27日新聞公佈】研究全文刊登在2023年4月26日出版的《自然》期刊；標題是：A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet