文章配图-1
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）
继人类初次捕捉到黑洞影像七年后，中国天文学家在揭示黑洞奥秘上取得突破性进展。中科院上海天文台消息，该台科研人员联手国际伙伴，通过分析2018年观测数据，首次成功绘制出M87星系中心超大质量黑洞在事件视界尺度内的空间分辨谱指数图。这相当于从5500万光年外，为黑洞完成了精密的“空间光谱诊断”。相关成就近期发表于《天体物理学快报》期刊。
七年历程：从单色影像到双色观测
2019年，事件视界望远镜（EHT）项目组公布首张黑洞照片——M87星系中心黑洞的形态，让人类得以初见黑洞实体。此后，科学界又获得银河系中心黑洞的影像。
现有单一频段图像如同“黑白照片”，仅展示黑洞周边辐射的空间形态，无法完整呈现黑洞近旁极端环境里的物理现象。要深入理解这些区域，必须结合不同频段的观测成果。
为此，上海天文台助理研究员赵杉杉、研究员路如森及其团队，整合2018年EHT和全球毫米波VLBI阵列的观测记录，在1.3毫米与3.5毫米双波段对M87黑洞展开联合成像分析。
通过叠加双波段图像，研究组首次剖析出黑洞事件视界尺度上辐射强度随频率变化的分布规律——即“谱指数”的空间格局。论文第一作者赵杉杉指出，谱指数如同天体的“光谱指纹”，可反映辐射形成机制，“各种辐射现象会留下独特的‘指纹’特征”。
“甜甜圈”结构揭示物理真实
研究发现黑洞外围辐射特性存在显著径向差异。在黑洞中心附近区域，谱指数保持正值且随距离微增，显示该区辐射仍受强烈“自吸收”效应影响，好比浓雾中的灯火被雾气部分吸收。而远离黑洞中心后，谱指数逐步转为负值，表明辐射环境正向“光学较薄”状态演化。
这一转折点恰好在距离黑洞中心约30微角秒处，与3.5毫米波段观测到的环状结构尺度完全吻合。这意味着黑洞图片中的标志性“甜甜圈”光环，不仅体现辐射形态，也与视界附近等离子体的真实物理状态存在内在关联。
“我们首次获取的M87黑洞事件视界尺度谱指数空间分布，量化了黑洞周边辐射特性的径向变化规则。”论文通讯作者路如森表示，这项成果使天文学家能直接探究视界尺度等离子体状态的空间差异，为解析吸积流与喷流形成过程提供新思路。
从影像捕捉到物理解析
这一突破标志着黑洞研究从静态成像级别，跃升到物理诊断阶段。“今后多频视界尺度观测将成为诊断黑洞附近等离子体状态的关键手段。”路如森预见，凭借观测能力的稳步提升，多频段数据有助于分清辐射过程与引力效应在黑洞图像中的影响，从而为研究黑洞吸积与喷流机制、探索强引力规律开辟新途径。
随着毫米波VLBI技术的持续精进和下一代观测设施落成，科学家有望获取更多波段的黑洞影像，更精密地判定黑洞周边等离子体的物理特性，并追踪吸积流和喷流结构的动态变化，进而更深层次地“读懂”这一宇宙中最神秘的天体。