近日，中科院上海天文台研究人员利用毫米波VLBI前沿技术，首次获得一颗暗弱射电源M84在3毫米波段的高分辨率图像，并高精度测定了M87黑洞的空间位置。相关研究成果发表于《天体物理学杂志通讯》。
甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术通过将相距遥远的射电望远镜用相干干涉的方法连接，从而获得等效于一个超大口径射电望远镜的分辨本领，因此，VLBI技术在深空探测器测定轨任务和著名的黑洞成像等天文观测中有广泛运用。VLBI观测波长越短、望远镜台站间的距离越长，所获得的分辨率就越高。为了追求超高分辨率，天文学家不仅尽量延长基线，也将工作波长从厘米波发展到更短的毫米波和亚毫米波。然而，观测波长越短，信号传播过程中受大气等的影响就越大，同时也因为对望远镜工艺更高要求使得灵敏度下降，毫米波VLBI观测面临诸多挑战。
研究人员在本项目中运用了毫米波VLBI前沿技术——“源频相位参考技术”——将工作频率提升到传统相位参考技术难以企及的3毫米波段，也因此获得更多观测量和更高的测量精度，充分体现了这种毫米波VLBI新技术的优势和潜力。“源频相位参考”就是在传统相位参考只做目标源和参考源切换的基础上增加了快速频率切换或者多频同时接收，这样可以通过频率相位的差分抵消大部分大气等误差源的影响，从而增加相干积分累加时间，提高毫米波VLBI观测的灵敏度。事实上，这项VLBI前沿技术代表了该领域的一个发展趋势，从韩国的VLBI网到下一代事件视界望远镜（next generation Event Horizon Telescope，ngEHT），再到俄罗斯的空间毫米波VLBI卫星计划，都在设计部署这种技术。
这项技术带来的好处显而易见，比如这次研究工作就解答了关于M87黑洞位置的疑问。2019年4月，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）捕获到的首张室女座星系M87中央超大质量黑洞照片面世，2021年3月至4月M87黑洞的偏振图像和多波段观测成果又先后公布，使得人类对这个超大质量黑洞的认识越发清晰。但与此同时，M87黑洞到底在空间哪个位置、多波段观测到的图像和黑洞有什么联系等问题仍不得而知。
研究人员运用这项技术方法，成功克服了常规毫米波VLBI观测受到的大气抖动剧烈、灵敏度不足等局限，高精度地测定了M87黑洞是在位于其43GHz喷流核心的上游46微角秒（投影距离约为1100亿公里）处（如下图左上角子图）。
“我们是在国际上首次将源频相位参考技术成功用于暗弱的低光度活动星系核的科学观测研究，包括之前的M81，这次的M84和M87，经过对多个科学目标的重复验证，证明了这项新技术的独特优势和将其运用于天文观测与研究的可行性。”论文第一作者江悟副研究员说。
论文合作者、上海天文台沈志强研究员表示，“目前，上海天文台的天马望远镜也正在部署这种多频同时接收系统，建成后将会和东亚以及欧美等台站构成一个多频同时接收VLBI网络，在高频观测效率和多频同时观测科学研究等方向上具有广阔的应用前景。”
除了获得M87黑洞精确定位，此项研究还在3毫米波段探测到约为4.8高斯的M87喷流核心区域磁场强度，这与EHT探测到的黑洞视界附近的磁场强度在同一量级，说明该区域已经非常接近黑洞视界。另外，此项研究还展现了毫米波VLBI新技术对暗弱源的探测本领，首次在3毫米波段获得暗弱射电源M84（流量强度约几十毫央斯基，强源一般至少有上千毫央斯基）的高分辨率图像（图1右下子图）。M84作为和M87同样处于室女星系群中成员，其超大质量黑洞阴影“视半径”在已知黑洞中次于银河系中心和M87黑洞，是ngEHT可探及的目标源。这次成功检出对其流量和核区大小做了很好的约束，结果预测其在亚毫米波辐射仍相对较强，应可以被规划中的高灵敏度ngEHT观测和成图。
本项工作得到国家自然科学基金和中科院前沿科学重点研究计划（QYZDJ-SSW-SLH057）等资助。
源频相位参考技术及此次M84和M87研究成果示意图
科学联系人：
江悟，中国科学院上海天文台，jiangwu@shao.ac.cn
沈志强，中国科学院上海天文台，zshen@shao.ac.cn
论文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac375c
扩展阅读：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aaa755