得益于毫米波甚长基线干涉测量（VLBI）技术的发展，人类先后获得了M87星系中心和银河系中心超大质量黑洞的视界尺度图像，实现了对黑洞附近极端引力环境的直接探测。科学家得以在接近事件视界——即连光都无法逃逸的边界——的尺度上研究黑洞周围的物质吸积、相对论喷流及其辐射过程。然而，单一频率（单一“颜色”）的图像主要反映黑洞周围辐射的空间结构；只有将不同频率（不同“颜色”）的观测结果结合起来，才能进一步解析辐射背后的物理性质，揭示黑洞附近等离子体的状态及其辐射机制，推动黑洞研究从“看见黑洞”迈向“读懂黑洞”。

近期，我台科研人员与国外合作者利用2018年事件视界望远镜（EHT）和全球毫米波VLBI阵列获得的观测数据，对M87黑洞开展了双频联合光谱研究。研究利用1.3毫米和3.5毫米两个波段获得的黑洞视界尺度图像，通过联合分析，首次获得了黑洞事件视界尺度的空间分辨谱指数分布，并揭示了谱指数随距离黑洞中心变化的规律（图1）。这相当于为黑洞开展了一次高精度的“空间光谱体检”。这也是迄今为止人类获得的首张空间分辨的黑洞事件视界尺度谱指数图像。相关成果发表于国际天文学期刊《The Astrophysical Journal Letters》。

研究结果显示，黑洞周围辐射性质会随着距离黑洞中心的变化而发生显著改变，这一特征直观地体现在谱指数的空间分布上。在靠近黑洞中心的区域，谱指数为正，并随距离略有升高，表明该区域的辐射仍受到较强的同步辐射自吸收影响；随着距离增加，谱指数逐渐下降并由正转负，显示辐射逐渐过渡到光学较薄状态。尤为重要的是，这一转变发生在距离黑洞中心约30微角秒的位置，与3.5毫米波段观测到的环状结构尺度一致。这表明，黑洞图像中的环状结构不仅反映了辐射形态，还与视界附近等离子体的辐射状态密切相关，为理解黑洞吸积流、喷流以及视界尺度辐射过程提供了新的观测约束。

论文第一作者，中国科学院上海天文台助理研究员赵杉杉表示：“我们首次获得的M87黑洞事件视界尺度谱指数空间分布，定量揭示了黑洞周围辐射性质的径向变化规律。这使我们能够直接研究视界尺度等离子体状态随空间尺度的变化，并为理解吸积流与喷流形成过程提供新的线索。”

未来，随着毫米波VLBI技术的持续发展以及下一代观测设施的建设，多频、高灵敏度和时变观测能力将不断提升。通过获取更多“颜色”的黑洞图像，科学家不仅能够更加精确地诊断黑洞附近等离子体的物理状态，还有望进一步追踪吸积流和喷流结构随时间的演化过程，从而推动黑洞研究从静态结构成像迈向动态物理诊断，更深入地认识黑洞周围的极端物理环境。

论文通讯作者，中国科学院上海天文台路如森研究员表示：“未来，多频视界尺度成像将成为诊断黑洞附近等离子体物理状态的重要窗口。随着观测能力的不断提升，多频观测有望帮助区分辐射过程与引力效应在黑洞图像中的贡献，从而为研究黑洞吸积与喷流机制以及探索强引力物理提供新的观测途径。”

图1：M87黑洞事件视界尺度谱指数分布（上）及随黑洞距离的变化（下）

本研究得到国家自然科学基金青年基金A类、国家科技重大专项、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目以及上海市基础研究特区计划等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae84ca

科学联系人：

赵杉杉 zhaoss@shao.ac.cn

路如森 rslu@shao.ac.cn