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七年时光过去，人类对黑洞的认识又有了新突破。中国在黑洞研究上再次取得进展。中国科学院上海天文台发布消息称，该台研究人员通过国际合作，以2018年的观测数据为基础，首次记录到M87星系中心超大质量黑洞事件视界尺度的空间分辨谱指数图像。这仿佛为5500万光年外的黑洞做了一次精密的空间光谱检查。7月20日，这项研究成果已经刊登在国际天文学权威期刊《天体物理学快报》。
从“单色图”到“双色照”
2019年，事件视界望远镜（EHT）项目组公布了人类史上首张黑洞照片，定格了M87星系中心黑洞的模样，让人类初见黑洞真容。紧接着，银河系中心黑洞的影像也成功拍摄。但这些都只是单一波段的图像，如同色彩单调的黑白照片，主要展示了黑洞周边辐射的空间构造。真正要明了黑洞邻近极端环境内的物理运作，还需结合不同频率的图像进行综合分析。
为此，上海天文台助理研究员赵杉杉、研究员路如森等科学家团队，联合2018年EHT观测数据及全球毫米波VLBI阵列信息，在1.3毫米与3.5毫米两个波段同步对M87黑洞进行影像分析。
通过把这两种“色彩”的图像结合起来，科研团队首次计算出黑洞事件视界尺度内辐射强度随频率变化的情况——即谱指数的空间分布情况。论文主笔赵杉杉说明，谱指数好比天体的光谱印记，能够展现辐射的物理原理，“不同的辐射过程会留下差异的‘印记’”。
“甜甜圈”与真实物理状态关联密切
研究发现，黑洞周围辐射特性存在明显径向差异。在靠近黑洞核心区域，谱指数为正值且随距离轻微上升，表明该区域辐射受“自吸收”效果影响显著——类似雾中灯光被雾气自身遮蔽一部分。而当逐渐远离黑洞中心时，谱指数逐步降低并转为负值，显现辐射慢慢过渡到“光学较薄”情形。
M87黑洞事件视界尺度谱指数分布图（左边）及其与黑洞距离变化图（右边）
特别值得注意的是，这一转变发生地点距离黑洞中心约30微角秒，正好与3.5毫米波段观测到的环状结构尺度吻合。这说明黑洞影像里那个著名的“甜甜圈”光环，不但体现了辐射形态，还与视界附近等离子体真实物理状况紧密相连。
“我们首次得到的M87黑洞事件视界尺度谱指数空间分布情况，定量化揭示出黑洞周围辐射性质的径向变化态势。”论文合作者路如森表示，这使天文学家可以直接探究视界尺度等离子体状态随空间变化的情况，并为理解吸积流和喷流形成机制提供建设性思路。
从“看见黑洞”到“读懂黑洞”
这一成就标志黑洞研究从静态成像阶段，进入物理诊断阶段。“往后，多频视界尺度成像将作为分析黑洞附近等离子体物理状态的关键途径。”路如森认为，随着观测技术的提升，多频段观测有望区分辐射过程和引力效应在黑洞影像中的贡献，从而为研究黑洞吸积与喷流机制以及探索强引力物理开辟新途径。
随着毫米波VLBI技术的持续进步以及下一代观测设备的建设，科学家将有望获取更多色彩丰富黑洞图像，更精准地诊断黑洞附近等离子体物理状态，并追踪吸积流和喷流结构随时间的变化，从而更全面地“解读”黑洞这一宇宙奥妙天体。
