天马望远镜助力解析银河系中心超大质量黑洞的内禀结构

　　天文学家通常运用甚长基线干涉测量（Very LongBaseline Interferometry，简称VLBI）技术来解析遥远天体的精细结构。VLBI是将位于不同地点的多个射电望远镜联合起来，等效于一台口径与望远镜之间最远距离相当的＂虚拟望远镜＂。距离越远，等效望远镜的口径就越大，其观测精细结构的能力（即分辨本领）也越强。这种＂虚拟望远镜＂可以通过国际VLBI网实现，如美国VLBA（VeryLong Baseline Array，简称VLBA），欧洲VLBI网（The European VLBI Network，简称EVN）和东亚VLBI网（East-Asian VLBI Network，简称EAVN）等。EAVN目前由21台射电望远镜组成，包括了中国6台、韩国4台和日本11台望远镜，上海天文台的天马望远镜是该观测网的重要台站，长期为全球的天文学家提供了高质量的观测数据。
　　近日，由西班牙安达卢西亚天体物理研究所（IAA-CSIC）博士后Ilje Cho和研究人员赵光耀牵头的科研团队通过分析EAVN在1.3厘米和7毫米波长的观测数据，发现银河系中心的超大质量黑洞——人马座A*（Sgr A*）——的内禀结构近乎是圆形的。测得的辐射区大小表明围绕Sgr A*的吸积流中有非热电子，辐射区的形状则显示吸积流的旋转轴（或可能存在的射电喷流方向）是直接指向地球的。相关研究成果发表在《天体物理学杂志》上。
　　左: 南非射电天文台的MeerKAT拍摄的银河系中心区域。
　　右: 东亚VLBI网（EAVN）在1.3厘米 (上)和7毫米(下)波段的观测结果。左侧是观测到的SgrA*（受星际介质散射影响）结构图像, 右侧是消除了散射效应后的SgrA*内禀结构图像。
　　作为离地球最近的超大质量黑洞，Sgr A*是研究超大质量黑洞的最佳天体，关于Sgr A*的观测研究也分享了2020年诺贝尔物理学奖。然而，对于研究Sgr A*的精细结构来说，除了获得高精度的观测数据以外，还存在一项重要挑战，那就是银河系中气体云对光线在传播过程中的散射效应。为攻克这一问题，Cho与合作者将最新的基于历史观测的散射模型应用于此次对EAVN的观测结果的分析中。研究人员通过分析EAVN在1.3厘米和7毫米波长下的观测数据发现，Sgr A*的内禀结构几乎是圆形的。＂在修正星际散射介质的影响之前，Sgr A*的结构存在东西方向的拉伸。我们的研究表明拉伸主要来自散射效应＂，用三种不同的方法独立证实了这一点后，Cho解释道：＂EAVN使我们能够实现这一切＂。对Sgr A*结构以及星际散射的VLBI观测研究由来已久，最早可以追溯到上世纪70年代。＂1997年我们就成功开展了对SgrA*从6厘米到7毫米的5个频段的VLBA观测，首次给出了二维散射大小与观测波长的依赖关系。＂论文合作者上海天文台研究员沈志强说道。
　　1997年VLBA观测获得的SgrA*在6厘米，3.6厘米，2厘米，1.3厘米和7毫米波长（由上至下）的高分辨率图像
　　此项目中，研究人员使用了EAVN在1.3厘米波长的10台望远镜与7毫米波长的8台望远镜的观测数据。这些数据来自于2017年4月进行的观测，该观测作为EAVN联盟下的活动星系核科学工作组的大型项目的一部分进行，这也是首次拍到M87*黑洞阴影照片的＂事件视界望远镜＂（Event Horizon Telescope，简称EHT）对Sgr A*多波段协同观测的一部分。上海天文台沈志强研究员介绍说：＂作为东亚VLBI网中能够承担毫米波段观测的最大口径的射电望远镜，上海65米口径天马望远镜的接收面积超过了其他望远镜的总和。天马望远镜的参与显著提高了东亚VLBI网的观测灵敏度，在保障探测更微弱信号的可靠性方面功不可没。＂
　　根据对吸积流的理论模拟，研究人员认为Sgr A*的近圆形结构可能意味着吸积流的旋转轴方向几乎是朝向地球的；同时，Sgr A*的辐射区大小意味着这个超大质量黑洞周围的吸积流中包含了非热电子。研究人员还将此最新结果与Issaoun及其合作者在同一时期利用全球毫米波VLBI网给出的SgrA*在3毫米波长的结果相结合，获得了Sgr A*的内禀大小和亮度与观测波长之间的关系，并假设该关系在更短波长下也成立，则可以预测Sgr A*在1.3毫米波长（对应频率230GHz）的尺寸和亮度。沈志强研究员表示：＂这对分析2017年EHT观测银河系中心数据有很大帮助，该EHT数据分析旨在制作Sgr A*黑洞阴影的第一张照片。＂
　　本次研究也是首次对Sgr A*在2天时间尺度内的VLBI数据进行分析。在未来的研究中，EAVN的多波段长期监测数据将为研究人员区分Sgr A*的射电辐射模型提供重要依据。这些长期监测数据将提供更精细的Sgr A*结构信息，并确定不同波长下其射电辐射区域的精准位置，从而进一步验证不同辐射模型的有效性。
　　天马望远镜是由中国科学院和上海市联合立项建造的一台具有多科学用途的世界级大型可转动射电望远镜，曾入选2012年中国十大科技进展新闻和上海十大科技进展，曾获得2018年上海市科技进步特等奖。自2012年落成并投入运行以来，天马望远镜在承担我国探月工程和火星探测等国家重大工程的VLBI测定轨任务的同时，作为国际VLBI网（如欧洲VLBI网和东亚VLBI网）的正式成员，也积极参与了大量的VLBI天体物理观测研究，包括2021年发布的与全球望远镜联合对M87黑洞开展的前所未有的多波段同步观测等[1]。
　　根据VLBI技术的特点，随着观测频率的提高，不仅意味着更高的分辨本领，还具备更强的抗散射和穿透探测能力。上海天文台研究员沈志强表示：＂借鉴于天马望远镜的成功经验，我们也在积极推进国内的毫米波/亚毫米波望远镜的建设，一方面参与到下一代事件视界望远镜这一前沿国际合作中去，另一方面也可以开展自主的亚毫米波段相关领域的科学研究。＂
　　参加2017年银河系中心黑洞Sgr A*观测的东亚VLBI网台站及图像空间采样（红色部分代表天马望远镜相关基线）