首次同時拍攝到M87黑洞吸積流和強大噴流

由中研院與國際團隊合作使用新的毫米波段觀測，成功拍攝到M87黑洞吸積流和強大噴流，首度證實星系中心超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源間的聯繫。

M87噴流和黑洞陰影在毫米波段的VLBI影像，由加入了ALMA和格陵蘭望遠鏡的GMVA取得。圖片來源：Lu, Asada, et al. (2023)

為了觀測黑洞，需要建構一個跟地球一樣大的電波望遠鏡陣列，為了達成這個目標，天文學家運用特長基線干涉法技術，連結分布全球各地的望遠鏡，讓這些千里外的望遠鏡形成一個和地球一樣大的虛擬望遠鏡，其解析力更是遠超過任何單一望遠鏡。

目前有兩個國際合作計畫串聯起全球電波望遠鏡，分別是「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope，EHT）及「全球毫米波特長基線陣列」（Global mm-VLBI Array，GMVA）。兩者以不同的波長頻段觀測，EHT用1.3毫米波長觀測取得黑洞的陰影影像；而GMVA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EHT已於2019年及2022年公布人類史上第1張M87黑洞影像及第2張銀河系中心超大質量黑洞人馬座A星影像。

此次取得的黑洞吸積流及噴流成像，是由2018年阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡（ALMA）與格陵蘭望遠鏡（GLT）加入GMVA全球連線觀測的成果。這二座望遠鏡的加入，提高了整體的分辨率和靈敏度，首度能在3.5毫米波長下對M87星系中心的環狀結構成像，強化了GMVA計畫的成像能力。GMVA測得環的直徑為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），比EHT用1.3毫米波長觀測到的直徑大50%，與該區域的相對論性電漿輻射相符。

不同波長觀測的M87黑洞陰影影像，左：GMVA（3.5毫米），右：EHT（1.3毫米）。圖片來源：Lu, Asada, et al. (2023); the EHT Collaboration; composition by F. Tazaki

研究人員表示這次用3.5毫米波長觀測M87黑洞，發現環變大變厚，這說明新的影像中看到落入黑洞的物質產生額外的輻射。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毫米波長的觀測下，將揭示這些電子的位置和能量的更多細節。這個黑洞不是很餓！它以低速率消耗物質，僅將一小部分物質轉化為輻射。從數值模擬的理論模型中，確定了影像中的環狀結構與吸積流有關。觀測資料發現靠近黑洞內部區域發出的輻射比預期的要寬，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，未來隨著強大望遠鏡的加入，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，探索物質如何吸積到黑洞以及如何從黑洞附近噴發出來。相關研究成果發表於《自然》（Nature）期刊上。