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2019年，随着人类首次呈现黑洞“照片”，那独特的橙红色光环与中央阴影迅速成为全球瞩目的焦点。照片使这一过去只能通过引力效应推断的天体，初次以接近事件视界尺度的形态展现在大众眼前。但科学研究的深入，并不仅仅止步于视觉上的突破。对于黑洞周围究竟为何种物质发光，这些辐射如何演变，喷流又从何处汲取能量，诸多问题依旧亟待解答。
7月21日，中国科学院上海天文台的最新研究成果昭揭。一个由中方领衔的国际团队，借助事件视界望远镜和全球毫米波甚长基线干涉测量阵列的观测数据，首次解析出了具备空间分辨能力的黑洞事件视界尺度谱指数图像。此次研究的对象，依旧是位于M87星系中心的超大质量黑洞，也就是人类首张黑洞影像中的那个核心天体。
M87黑洞距离地球大约5500万光年，其质量达到了太阳质量的65亿倍。如此庞大的质量被压缩在狭窄的空间内，导致周遭的时空结构产生显著弯曲。黑洞本身并不发光，天文学家所观测到的是黑洞附近高速移动、被加热的等离子体产生的辐射，以及强大的引力对光线传播路径施加的扭曲作用。
普通的照片主要揭示的是不同位置的光亮度，而谱指数图像则进一步比较同一位置在不同频率下的亮度差异。这可以类比为一次“多维度体检”：仅凭一张X光片或许能识别出结构异常，而结合多种检测手段方能准确判断其背后的物理状况。谱指数作为描述辐射强度随频率变化规律的参数，能够为研究者在辐射穿透性、粒子能量分布，以及磁场和等离子体状态等方面提供关键信息。
此次研究综合分析了2018年获取的1.3毫米与3.5毫米波段图像。这两个波段都属于毫米波范畴，但对于黑洞周围物质的透明度和辐射区域并不完全相同。研究团队需要将来自不同望远镜阵列、不同频率以及不同分辨率的观测数据严格对齐，才能实现同一空间位置亮度变化的有效比较。
这项任务的复杂程度远超简单地将两张图片叠加。地球上单台望远镜难以独立实现事件视界尺度的分辨率。事件视界望远镜采用了甚长基线干涉测量技术，将散布在全球的射电望远镜整合为近似地球大小的虚拟望远镜。不同站点记录的信号依赖于高精度时间同步，随后还需要经过庞大的数据处理才能重构图像。双频联合分析还必须克服观测时间、阵列覆盖范围和图像重建方法之间的差异，避免将技术误差误读为真实的物理现象。
研究发现，靠近黑洞中心的区域呈现出正的谱指数，表明同步辐射自吸收效应依然显著。同步辐射源于高速带电粒子在磁场中的运动，当辐射区域足够密集时，低频光容易被周围物质吸收，从而显得不够透明。随着远离黑洞中心，谱指数逐渐降低并转为负值，显示出辐射正逐步进入光学较薄的状态，更多辐射得以直接逃脱并被望远镜捕捉。
尤为引人注目的是距离黑洞中心约30微角秒的位置的观测结果。微角秒是一种极小的角度单位，30微角秒相当于从地球观测到极遥远天体的微细结构。研究揭示，谱指数在此尺度附近发生了明显转变，而这个尺度恰好与3.5毫米波段图像中的环状结构相吻合。这意味着所见的“环”不仅是图像亮度分布形成的表象，更与等离子体辐射状态改变的位置紧密关联。
这些发现为理解黑洞吸积流提供了新的视角。黑洞会吸引周围的气体和尘埃，但物质一般不会直线坠入，而是在角动量的影响下形成高速旋转的吸积盘。摩擦力、磁场作用及湍流将物质加热至极高温度，产生强烈辐射。不同的理论模型对电子温度、密度、磁场强度和粒子分布有着各自的预测，而谱指数的空间分布则为排除与观测不符的模型提供了有力支持。
M87还拥有一条跨越巨大尺度范围的相对论喷流，从星系中心向外延展。这条喷流由接近光速运动的粒子和磁场构成，但它主要能量源自旋转黑洞还是吸积盘，至今仍是现代天体物理学上的核心议题。事件视界附近的辐射状态与喷流的起始区域密切相关，多频图像因而能够帮助研究者建立连接黑洞附近微小尺度与喷流大尺度结构间的联系。
公众对于“首张谱指数图像”
