天文學家首次同時拍攝到M87黑洞吸積流和強大噴流

隨著科學研究規模及難度提升，跨國合作已成天文觀測研究趨勢。中央研究院天文及天文物理研究所與數個國際研究團隊合作，使用新的毫米波段觀測成功獲得影像，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，研究成果於今（2023）年4月發表在國際頂尖期刊《自然》（Nature）。臺灣參與成員還包括國立臺灣師範大學、國立中山大學及國家中山科學研究院，經費來自中研院、國科會長期支持，一同為提升臺灣國際能見度貢獻心力。

為了觀測黑洞，全球電波望遠鏡成立兩個國際合作計畫，由分布各地的望遠鏡連線，構成和地球一樣大的虛擬望遠鏡，包括「事件視界望遠鏡 」（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）及「全球毫米波特長基線陣列」（Global mm-VLBI Array，簡稱GMVA），分別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年公布人類史上第一張及第二張黑洞影像照片。

此次黑洞吸積流及噴流成像則是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。由於加入這二座望遠鏡，使得跨洲望遠鏡連線分辨率和靈敏度提高，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。中研院天文所副研究員暨論文通訊作者淺田圭一表示：「由於GLT和ALMA加入GMVA的3.5毫米觀測，與EHT的結果相比，我們有足夠的角分辨率，能解析出核心周圍更厚更大的環，這主要與M87超大質量黑洞周圍的吸積流有關。」

GMVA測得的環直徑為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。

中研院天文所研究員、GLT計畫主持人松下聰樹強調：「這是我們將望遠鏡搬到格陵蘭並在那裡重新組裝後的第一個科研成果。GLT計畫從14年前開始，我們終於公布了第一個結果，這真是太棒了！」中研院天文所研究員兼夏威夷運轉副所長陳明堂也表示：「將望遠鏡改造以適應極端寒冷的天氣並搬到格陵蘭島重新組裝，這對我們來說的確是一個巨大挑戰。但本所與國家中山科學研究院的工程師和技術人員，一起實現這一個目標了！我們為臺灣的科學、技術和經驗感到非常自豪。」

中德馬普伙伴小組（Max Planck Research Group at the Chinese Academy of Sciences）組長、現任中國科學院上海天文臺研究員路如森（Ru-Sen Lu）表示：「以前我們在不同的影像中分別看到黑洞和噴流，但現在用新的觀測波長拍攝到了黑洞及其噴流的全景照片。」周圍的物質被認為在吸積過程中落入黑洞，但之前沒有辦法直接對它成像。路如森補充道：「這次用3.5毫米波長觀測我們之前看到的環，發現它變大變厚。這說明新的影像中看到落入黑洞的物質產生額外的輻射，可以讓我們對黑洞附近的物理過程有更完整的了解。」

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毫米波長進行的新觀測揭示了這些電子的位置和能量的更多細節，還告訴我們一些關於這個黑洞本身的性質：它不是很餓！它以低速率消耗物質，僅將一小部分物質轉化為輻射。主導論文理論模型的教育部玉山青年學者、國立臺灣師範大學卜宏毅助理教授解釋：「利用數值模擬黑洞環境並建立黑洞系統輻射特徵的理論模型，我們確定了影像中的環狀結構與吸積流有關。此研究成果仰賴了在不同頻率的高解析度觀測。」

日本國立天文臺的秦和弘助理教授補充道：「我們在資料中還發現一些令人驚訝的事：靠近黑洞的內部區域發出的輻射比我們預期的要寬。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，因為一系列強大望遠鏡的進一步觀測將持續解開它的秘密。韓國天文研究院、也是前中研院天文所博士後研究人員的朴鐘浩博士說：「未來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。」

東亞天文臺臺長賀曾樸院士表示：「由臺灣主導的GLT和以臺灣為重要合作夥伴的ALMA，所提供的資料提高了觀測靈敏度和解析度，從而導致這個新發現。 同時也看出使用3.5毫米觀測的GMVA比我們最初預期的要強大得多。今年東亞天文臺的馬克斯威次毫米波望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，簡稱JCMT）也已加入此陣列。利用ALMA-GLT-JCMT創造出的金三角將成為全球VLBI陣列的基柱，未來計畫拍攝黑洞附近的影片，使我們能探索物質如何吸積到黑洞以及如何從黑洞附近噴發出來。」

補充資料：

全球毫米特長基線陣列（Global Millimetre VLBI Array，簡稱GMVA），由德國馬克斯普朗克電波天文研究所（Max-Planck-Institut für Radioastronomie，簡稱MPIfR）、法國Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM)、瑞典Onsala Space Observatory (OSO)、芬蘭Metsähovi Radio Observatory (MRO)、西班牙Yebes、韓國Korean VLBI Network (KVN)、美國綠堤望遠鏡(Green Bank Telescope，簡稱GBT)及超長基線陣列Very Long Baseline Array (VLBA)共同運作。

阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，簡稱ALMA）是由歐洲、北美、東亞與智利共和國合作建造的國際天文設施。ALMA的經費來源包括三部分：歐洲地區由歐洲南天天文台（ESO）支應；北美地區由美國國家科學基金會（NSF）、加拿大國家研究委員會（NRC）、與臺灣的行政院國科會（NSTC）共同支持；東亞地區則為日本國家自然科學研究機構（NINS）、臺灣中央研究院（AS）和韓國天文研究院（KASI）共同籌措。 ALMA的建設和運營是由歐洲南天天文台代表歐洲，美國的國家電波天文台（NRAO）代表北美，以及日本的國立天文台（NAOJ）代表東亞。ALMA天文臺聯合中心（JAO）統籌管理施工、試運轉和運作事宜 。

格陵蘭望遠鏡由中央研究院天文及天文物理研究所和美國史密松天文台（SAO）主導改造、重建和營運。

綠堤望遠鏡（GBT）和國家電波天文台的超長基線陣列（VLBA）隸屬於美國國家科學基金會，由美國大學聯盟法人組織（Associated Universities Inc，簡稱AUI）協議運作。

德國馬克斯普朗克電波天文研究所負責處理觀測資料及運轉GMVA。

論文作者完整名單（粗體為本所相關人員）：Ru-Sen Lu, Keiichi Asada, Thomas P. Krichbaum, Jongho Park, Fumie Tazaki, Hung-Yi Pu, Masanori Nakamura, Andrei P. Lobanov, Kazuhiro Hada, Kazunori Akiyama, Jae-Young Kim, Iván Martí-Vidal, José L. Gómez, Tomohisa Kawashima, Feng Yuan, Eduardo Ros, Walter Alef, Silke Britzen, Michael Bremer, Avery Broderick, Akihiro Doi, Gabriele Giovannini, Marcello Giroletti, Paul Ho, Mareki Honma, David Hughes, Makoto Inoue, Wu Jiang, Motoki Kino, Shoko Koyama, Michael Lindqvist, Jun Liu, Alan Marscher, Satoki Matsushita, Hiroshi Nagai, Helge Rottmann, Tuomas Savolainen, Karl-Friedrich Schuster, Zhi-Qiang Shen, Pablo de Vicente, R. Craig Walker, Hai Yang, J. Anton Zensus, Juan Carlos Algaba, Alexander Allardi, Uwe Bach, Ryan Berthold, Dan Bintley, Do-Young Byun, Carolina Casadio, Shu-Hao Chang, Chih-Cheng Chang, Song-Chu Chang, Chung-Chen Chen, Ming-Tang Chen, Ryan Chilson, Tim Chuter, John Conway, Geoffrey Crew, Jessica Dempsey, Sven Dornbusch, Aaron Faber, Per Friberg, Javier González-García, Miguel Gómez-Garrido, Chih-Chiang Han, Kuo-Chang Han, Yutaka Hasegawa, Ruben Herrero-Illana, Yau-De Huang, Chih-Wei Huang, Violette C.M. Impellizzeri, Homin Jiang, Hao Jinchi, Taehyun Jung, Juha Kallunki, Petri Kirves, Kimihiro Kimura, Jun Yi Koay, Patrick Koch, Carsten Kramer, Alexander Kraus, Derek Kubo, Cheng-Yu Kuo, Chao-Te Li, Chun-Che Lin, Ching-Tang Liu, Kuan-Yu Liu, Wen-Ping Lo, Li-Ming Lu, Nicholas R. MacDonald, Pierre Martin-Cocher, Hugo Messias, Zheng Meyer-Zhao, Anthony Minter, Dhanya Nair, Hiroaki Nishioka, Timothy Norton, George Nystrom, Hideo Ogawa, Peter Oshiro, Nimesh Patel, Ue-Li Pen, Yurii Pidopryhora, Nicolas Pradel, Philippe Raffin, Ramprasad Rao, Ignacio Ruiz, Salvador Sánchez, Paul Shaw, William Snow, T. K. Sridharan, Ranjani Srinivasan, Belén Tercero, Pablo Torne, Efthalia Traianou, Jan Wagner, Craig Walther, Ta-Shun Wei, Jun Yang, and Chen-Yu Yu. 

論文發表於：R.-S. Lu, K. Asada, et al., A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet, Nature, April 26, 2023

媒體聯絡：

淺田圭一副研究員（Dr. Keiichi Asada），中央研究院天文及天文物理研究所 

(Tel) 02-2366-5410，asada@asiaa.sinica.edu.tw 

卜宏毅助理教授，國立臺灣師範大學物理學系

(Tel) 02-7749-6044，hypu@gapps.ntnu.edu.tw 

周美吟博士，中央研究院天文及天文物理研究所 

(Tel) 02-2366-5415，cmy@asiaa.sinica.edu.tw