美國東部時(shí)間 2019 年 4 月，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組首次公開了人類歷史上的第一張黑洞圖像，將此前從未被直接觀測到的天體清晰呈現(xiàn)。如今，一個(gè)由多國天文學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)又借助美國宇航局（NASA）錢德拉 X 射線天文臺，獲得了同一顆超大質(zhì)量黑洞 M87* 的等離子體噴流“迄今最精細(xì)的 X 射線視圖”。

根據(jù)最新發(fā)布在預(yù)印本平臺 arXiv 的論文，研究人員詳細(xì)說明了他們?nèi)绾卫缅X德拉望遠(yuǎn)鏡的長期觀測數(shù)據(jù)，追蹤這束巨大宇宙噴流在十余年尺度上的演化過程，凸顯了該臺在研究宏大宇宙結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化方面的獨(dú)特能力。M87* 位于距地球約 5，500 萬光年的室女座星系團(tuán)，其周圍物質(zhì)被黑洞強(qiáng)引力捕獲后形成熾熱的吸積盤，并在黑洞自轉(zhuǎn)和磁場作用下產(chǎn)生延伸數(shù)千光年的高能噴流。

天文學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞在吞噬周圍氣體和塵埃時(shí)，盤狀物質(zhì)會(huì)在黑洞周圍形成一個(gè)高溫、旋轉(zhuǎn)的吸積盤。黑洞強(qiáng)大的引力與高速自轉(zhuǎn)共同扭曲周圍磁場，將其在兩極方向盤繞成束，這些盤繞磁場仿佛成為“粒子加速器”，不斷向星系外發(fā)射高能粒子噴流。NASA 資料顯示，M87* 的噴流長度超過 3，000 光年，以接近光速的相對論速度沖向宇宙深處，釋放出的輻射覆蓋從射電到 X 射線等多種波段。

本次研究由加拿大拉瓦爾大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院博士生 Camille Poitras 牽頭，團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)的 X 射線圖像處理技術(shù)，對錢德拉在 2012 至 2025 年間獲取的多幅 M87* 噴流觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行合成與重建。傳統(tǒng)上，X 射線成像常與射電、光學(xué)及紅外觀測結(jié)合，用于研究黑洞噴流的不同結(jié)構(gòu)。射電望遠(yuǎn)鏡擅長解析噴流中尺度更大、延展更遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)，而 X 射線則更敏感于噴流中最熾熱、最具能量的部分。然而，受分辨率限制，X 射線圖像長期以來難以清晰“拆分”噴流中復(fù)雜的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

錢德拉團(tuán)隊(duì)在最新工作中對圖像進(jìn)行了所謂“去卷積”（deconvolution）處理，顯著提升了圖像分辨率，使 X 射線視圖中呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)精度逼近光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡的圖像，同時(shí)保留了 X 射線對高能結(jié)構(gòu)的敏感性。這意味著，經(jīng)過處理后的錢德拉圖像可以在同一視場中兼顧結(jié)構(gòu)解析度和高能信息，為研究噴流內(nèi)部粒子加速機(jī)制提供更有力的工具。通過將超過十年的觀測結(jié)果疊加分析，研究團(tuán)隊(duì)得以在時(shí)間軸上細(xì)致描繪 M87* 噴流的演化過程，揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在十年尺度上的變化軌跡。

“我們此前已經(jīng)能夠看到噴流在變化，但從未在 X 射線波段達(dá)到這種細(xì)節(jié)水平?！盤oitras 表示。她指出，通過去卷積技術(shù)，過去在 X 射線圖像中混雜在一起的結(jié)構(gòu)如今可以被分辨開來，科學(xué)家因此能更清晰地跟蹤噴流中不同成分在十多年間的相對運(yùn)動(dòng)和變化。這類長期、精細(xì)的時(shí)間序列觀測為理解黑洞噴流如何將能量從事件視界附近輸運(yùn)到星系尺度提供了關(guān)鍵線索。

M87* 之所以被選為 2019 年 EHT 首張黑洞成像的目標(biāo)，部分原因就在于它是一顆處于“活躍狀態(tài)”的超大質(zhì)量黑洞，擁有明亮的吸積盤和顯著的相對論噴流。相比之下，我們所在銀河系中心的黑洞人馬座 A*目前環(huán)境相對“貧瘠”，缺乏足夠的氣體和塵埃物質(zhì)，因此整體處于較“安靜”的狀態(tài)。M87* 高水平的活動(dòng)不僅讓其成為事件視界望遠(yuǎn)鏡的理想觀測對象，也為錢德拉團(tuán)隊(duì)提供了研究噴流動(dòng)力學(xué)演化的絕佳樣本。

分析顯示，最新 X 射線視圖中呈現(xiàn)出的 M87* 噴流比此前認(rèn)識的更加“動(dòng)態(tài)”。在這束巨大的能量噴流中，有些結(jié)構(gòu)看似幾乎靜止，而另一些則呈現(xiàn)出相當(dāng)于“以五倍光速運(yùn)動(dòng)”的視覺效果。研究人員強(qiáng)調(diào)，這并不意味著物質(zhì)真的超越了光速，而是源于一種被稱為“超光速運(yùn)動(dòng)”（superluminal motion）的觀測假象。當(dāng)噴流中的物質(zhì)以接近光速的速度、沿著近乎朝向地球的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于光程和時(shí)間延遲效應(yīng)，觀測者會(huì)看到噴流在天空背景中的投影似乎以超過光速的速度移動(dòng)。

這種超光速視覺效應(yīng)為天文學(xué)家提供了一個(gè)獨(dú)特窗口，使他們能在相對較短的時(shí)間尺度上觀測到噴流中高能粒子與磁場的相互作用過程。哈佛–史密森天體物理中心的天體物理學(xué)家、論文合著者 Gerrit Schellenberger 表示，這項(xiàng)工作展示了錢德拉在長時(shí)間尺度追蹤極端宇宙現(xiàn)象方面的持續(xù)威力，有助于加深我們對超大質(zhì)量黑洞附近釋放的能量如何沿噴流傳輸，并最終沉積到其所在星系環(huán)境中的理解。這類研究不僅關(guān)系到黑洞自身的物理過程，也與星系形成和演化密切相關(guān)。

研究團(tuán)隊(duì)指出，經(jīng)重新處理的高細(xì)節(jié)錢德拉圖像將有助于探索噴流內(nèi)部粒子如何被加速到極端能量水平。在某些觀測角度下，這些高能粒子及其輻射表現(xiàn)甚至似乎在“撕裂物理定律”，不斷挑戰(zhàn)我們對極端條件下物理過程的既有認(rèn)識。相關(guān)成果目前已在 arXiv 預(yù)印本平臺公開發(fā)布，錢德拉 X 射線天文臺也同步發(fā)布了媒體說明，供科研界和公眾進(jìn)一步了解這項(xiàng)工作。