Probing jet base emission of M87* with the 2021 Event Horizon Telescope observations
利用增强型 2021 年事件视界望远镜中等基线观测，该研究在 M87* 中识别出一个位于约 5500 AU 投影距离处的微弱（约 60 mJy）喷流基部发射组分，同时排除了更亮的发射情况，并将此探测结果设定为有待未来更广泛基线覆盖观测后的上限。
原作者： Saurabh, Hendrik Müller, Sebastiano D. von Fellenberg, Paul Tiede, Michael Janssen, Lindy Blackburn, Avery E. Broderick, Erandi Chavez, Boris Georgiev, Thomas P. Krichbaum, Kotaro Moriyama, Dhanya G. Nair, Iniyan Natarajan, Jongho Park, Andrew Thomas West, Maciek Wielgus, Kazunori Akiyama, Ezequiel Albentosa-Ruíz, Antxon Alberdi, Walter Alef, Juan Carlos Algaba, Richard Anantua, Keiichi Asada, Rebecca Azulay, Uwe Bach, Anne-Kathrin Baczko, David Ball, Mislav Baloković, Bidisha Bandyopadhyay, John Barrett, Michi Bauböck, Bradford A. Benson, Dan Bintley, Raymond Blundell, Katherine L. Bouman, Geoffrey C. Bower, Michael Bremer, Roger Brissenden, Silke Britzen, Dominique Broguiere, Thomas Bronzwaer, Sandra Bustamante, Douglas F. Carlos, John E. Carlstrom, Andrew Chael, Chi-kwan Chan, Dominic O. Chang, Koushik Chatterjee, Shami Chatterjee, Ming-Tang Chen, Yongjun Chen, Xiaopeng Cheng, Paul Chichura, Ilje Cho, Pierre Christian, Nicholas S. Conroy, John E. Conway, Thomas M. Crawford, Geoffrey B. Crew, Alejandro Cruz-Osorio, Yuzhu Cui, Brandon Curd, Rohan Dahale, Jordy Davelaar, Mariafelicia De Laurentis, Roger Deane, Gregory Desvignes, Jason Dexter, Vedant Dhruv, Indu K. Dihingia, Sheperd S. Doeleman, Sergio A. Dzib, Ralph P. Eatough, Razieh Emami, Heino Falcke, Joseph Farah, Vincent L. Fish, Edward Fomalont, H. Alyson Ford, Marianna Foschi, Raquel Fraga-Encinas, William T. Freeman, Per Friberg, Christian M. Fromm, Antonio Fuentes, Peter Galison, Charles F. Gammie, Roberto García, Olivier Gentaz, Ciriaco Goddi, Roman Gold, Arturo I. Gómez-Ruiz, José L. Gómez, Minfeng Gu, Mark Gurwell, Kazuhiro Hada, Daryl Haggard, Ronald Hesper, Dirk Heumann, Luis C. Ho, Paul Ho, Mareki Honma, Chih-Wei L. Huang, Lei Huang, David H. Hughes, Shiro Ikeda, C. M. Violette Impellizzeri, Makoto Inoue, Sara Issaoun, David J. James, Buell T. Jannuzi, Britton Jeter, Wu Jiang, Alejandra Jiménez-Rosales, Michael D. Johnson, Svetlana Jorstad, Adam C. Jones, Abhishek V. Joshi, Taehyun Jung, Ramesh Karuppusamy, Tomohisa Kawashima, Garrett K. Keating, Mark Kettenis, Dong-Jin Kim, Jae-Young Kim, Jongsoo Kim, Junhan Kim, Motoki Kino, Jun Yi Koay, Prashant Kocherlakota, Yutaro Kofuji, Patrick M. Koch, Shoko Koyama, Carsten Kramer, Joana A. Kramer, Michael Kramer, Cheng-Yu Kuo, Noemi La Bella, Deokhyeong Lee, Sang-Sung Lee, Aviad Levis, Shaoliang Li, Zhiyuan Li, Rocco Lico, Greg Lindahl, Michael Lindqvist, Mikhail Lisakov, Jun Liu, Kuo Liu, Elisabetta Liuzzo, Wen-Ping Lo, Andrei P. Lobanov, Laurent Loinard, Colin J. Lonsdale, Amy E. Lowitz, Ru-Sen Lu, Nicholas R. MacDonald, Jirong Mao, Nicola Marchili, Sera Markoff, Daniel P. Marrone, Alan P. Marscher, Iván Martí-Vidal, Satoki Matsushita, Lynn D. Matthews, Lia Medeiros, Karl M. Menten, Hugo Messias, Izumi Mizuno, Yosuke Mizuno, Joshua Montgomery, James M. Moran, Monika Moscibrodzka, Wanga Mulaudzi, Cornelia Müller, Alejandro Mus, Gibwa Musoke, Ioannis Myserlis, Hiroshi Nagai, Neil M. Nagar, Masanori Nakamura, Gopal Narayanan, Antonios Nathanail, Santiago Navarro Fuentes, Joey Neilsen, Chunchong Ni, Michael A. Nowak, Junghwan Oh, Hiroki Okino, Héctor Raúl Olivares Sánchez, Tomoaki Oyama, Feryal Özel, Daniel C. M. Palumbo, Georgios Filippos Paraschos, Harriet Parsons, Nimesh Patel, Ue-Li Pen, Dominic W. Pesce, Vincent Piétu, Alexander Plavin, Aleksandar PopStefanija, Oliver Porth, Ben Prather, Giacomo Principe, Dimitrios Psaltis, Hung-Yi Pu, Alexandra Rahlin, Venkatessh Ramakrishnan, Ramprasad Rao, Mark G. Rawlings, Luciano Rezzolla, Angelo Ricarte, Luca Ricci, Bart Ripperda, Jan Röder, Freek Roelofs, Cristina Romero-Cañizales, Eduardo Ros, Arash Roshanineshat, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Ignacio Ruiz, Chet Ruszczyk, Kazi L. J. Rygl, León D. S. Salas, Salvador Sánchez, David Sánchez-Argüelles, Miguel Sánchez-Portal, Mahito Sasada, Kaushik Satapathy, Tuomas Savolainen, F. Peter Schloerb, Jonathan Schonfeld, Karl-Friedrich Schuster, Lijing Shao, Zhiqiang Shen, Sasikumar Silpa, Des Small, Randall Smith, Bong Won Sohn, Jason SooHoo, Kamal Souccar, Joshua S. Stanway, He Sun, Fumie Tazaki, Alexandra J. Tetarenko, Remo P. J. Tilanus, Michael Titus, Kenji Toma, Pablo Torne, Teresa Toscano, Efthalia Traianou, Tyler Trent, Sascha Trippe, Matthew Turk, Ilse van Bemmel, Huib Jan van Langevelde, Daniel R. van Rossum, Jesse Vos, Jan Wagner, Derek Ward-Thompson, John Wardle, Jasmin E. Washington, Jonathan Weintroub, Robert Wharton, Kaj Wiik, Gunther Witzel, Michael F. Wondrak, George N. Wong, Jompoj Wongphexhauxsorn, Qingwen Wu, Nitika Yadlapalli, Paul Yamaguchi, Aristomenis Yfantis, Doosoo Yoon, André Young, Ziri Younsi, Wei Yu, Feng Yuan, Ye-Fei Yuan, Ai-Ling Zeng, J. Anton Zensus, Shuo Zhang, Guang-Yao Zhao, Shan-Shan Zhao
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下位于 M87 星系中心的黑洞 M87*，它就像一座宇宙灯塔。多年来，天文学家一直试图拍摄出它“阴影”（黑暗中心）和周围环绕的明亮光环的清晰照片。这就像是在黑暗中尝试拍摄一枚微小的硬币。
然而，这里有一个问题。我们知道这座灯塔会射出一道巨大的能量束（喷流），向深空延伸。但在 2/017 年和 2/018 年，事件视界望远镜（EHT）拍摄的照片边缘有些模糊。这就像是相机漏掉了一些光，特别是来自喷流最底部的微弱光芒，也就是就在黑洞离开的地方。科学家们称之为“缺失通量”——大约有 1 Jy 的光明明在那里，但因为望远镜阵列的设置问题，在相机中是不可见的。
新的相机设置
在 2/021 年，EHT 团队升级了他们的“相机”。他们增加了两台新望远镜：一台位于法国（NOEMA），一台位于亚利桑那州（Kitt Peak）。你可以把这些新望远镜想象成在试图观察远处物体的群体中增加了两只新眼睛。
至关重要的是，这些新眼睛创造了“中等长度”的连接（基线）到现有的望远镜。
- 旧的设置： 拥有极长的连接（用于观察微小细节）和极短的连接（用于观察巨大的、模糊的团块），但中间部分是一片空白。
- 新的设置： 现在拥有了可以观察“中间地带”的连接——即喷流发射台的具体尺寸。
侦探工作
即便有了这些新望远镜，团队也无法直接拍出一张完美的喷流底座照片，因为视野仍然有些稀疏。因此，他们像侦探一样，使用了一种被称为“闭合相位”的巧妙技巧。
想象三个人站成一个三角形，每个人都拿着对讲机。他们比较每个人听到的信号的时间差。如果信号来自一个完全对称的源（比如一个完美的圆环），时间计算的结果将为零。但如果侧边有一个微弱的额外光源，数学计算就不会对得上——它会留下一个“残余”或“凸起”的数据。
团队发现了这些凸起。数据表明，完美的圆环模型是不够的；那里还有别的东西，位置稍微偏离了中心。
发现
通过将这个额外的光源建模为一个简单的“高斯分布”（一个平滑、模糊的光团），团队发现：
- 位置： 这个额外的光位于黑洞圆环的西南方。这与巨大的喷流射出的方向相吻 quite 吻合。
- 亮度： 它非常微弱，大约只有 60 毫央斯基（milliJanskys）。为了让你有个直观感受，如果主圆环是一个明亮的灯泡，那么这个喷流底座就像是一个昏暗的小夜灯。
- 大小： 它的宽度约为 180 微角秒，大约相当于从月球上看一个葡萄柚的大小。
这为什么重要（以及它并不意味着什么）
这项发现意义重大，因为它终于为喷流的起点钉上了地图上的坐标。它证实了往年那些“缺失的光”很可能就来自这个特定位置，而不是来自其他地方某个巨大的、隐形的云团。
然而，作者非常谨慎，没有过度炒作。
- “上限”限制： 由于他们只增加了两个望远镜连接，他们无法绘制出喷流形状的详细图像。他们只能说：“这里有一个微弱的光团，而且它的亮度绝对不会超过这个数值。”
- 与旧照片并无冲突： 他们将新发现与 2/017 年和 2/018 年的照片进行了对比。他们发现旧照片其实没问题！只是旧的望远镜看不见这个微弱的光团，所以当时使用的“仅圆环”模型对于那些特定的望远镜来说仍然是正确的。新的数据只是增加了一个旧相机错过的微小、微弱的细节。
底线
利用升级后的望远镜网络，天文学家终于探测到了 M87* 喷流底部一个微弱、模糊的光晕。它恰好位于物理学预示的位置（西南方），但非常暗淡。虽然他们目前还无法完整绘制其形状，但他们已经证明了它的存在，并设定了一个严格的亮度上限。这就像是终于捕捉到了一个巨大熔炉中那盏此前隐形的微弱导火索之光。
技术摘要：利用 2021 年事件视界望远镜观测数据探测 M87 的喷流基部发射*
问题陈述
此前对 M87* 的事件视界望远镜（EHT）观测（2017 年和 2018 年）成功解析了 230 GHz 下的紧凑环结构（黑洞阴影）。然而，这些数据集存在“缺失通量”问题，即在平凡（同位置）基线（例如 ALMA/APEX、JCMT/SMA）上测得的总通量密度约为 1.0–1.4 Jy，显著高于仅由紧凑环模型恢复的 ~0.5–1.0 Jy。这种差异表明存在与大空间尺度相关的扩展发射，这很可能与喷流基部有关。2017 年和 2018 年的阵列缺乏必要的短基线和中等长度基线来约束或成像这种扩展结构，导致在重建喷流基部时存在未解决的简并性。
方法论
本研究利用了 2021 年 EHT 观测活动中显著增强的 (u,v) 覆盖率，特别是集成了 12 米 Kitt Peak (KP) 望远镜（美国）和 NOEMA 阵列（法国）。这些新站点引入了两个关键的中等长度基线：
- PV-NOEMA： 约 1100 km，对空间尺度敏感度约为 250 μas（~0.02 pc）。
- SMT-KP： 约 100 km，对空间尺度敏感度约为 2500 μas（~0.2 pc）。
由于这些中等长度基线的稀疏性，直接对微弱的扩展喷流基部进行成像并不稳健。相反，作者采用了基于**闭合相位（closure phases）**的几何模型拟合方法。闭索相位对基于站点的增益校准误差具有鲁棒性，并且对亮度分布的不对称性敏感。分析重点在于由高灵敏度 ALMA 站点形成的闭合三角形（ALMA-PV-NOEMA 和 ALMA-SMT-KP）。
作者将观测到的闭合相位与由以下成分组成的模型进行比较：
- 一个紧凑环成分（通过 DoG-HIT 及其他算法重建）。
- 一个额外的、微弱的、偏移的高斯成分，代表喷流基部发射。
模型参数（位置、通量密度和全宽半高值 FWHM）通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样进行优化，以最小化观测闭合相位与模型之间的约化卡方（χν2）残差。研究还测试了包括非对称高斯、双高斯以及 GMVA 推导的喷流结构在内的替代模型。
关键结果
- 残差检测： 仅包含紧凑环的模型无法完全重现 ALMA-PV-NOEMA 和 ALMA-SMT-KP 三角形上的观测闭合相位，表现出显著的残差（几个度的“凸起”和“偏移”）。
- 高斯成分拟合： 引入单个偏移的高斯成分显著改善了拟合效果。最佳拟合模型将一个微弱的高斯成分置于投影距离 ≈550 AU 处（相对于环中心，ΔR.A.≈320 μas，ΔDec.≈60 μas），估计通量密度为 ~60 mJy，尺寸（FWHM）约为 180 μas。
- 统计改进： 加入该成分后，ALMA-PV-NOEMA 三角形的 χν2 从 2.73 降至 1.29，ALMA-SMT-KP 三角形从 2.52 降至 1.12。所有三角形的全局拟合从 1.50 提升至 1.39。
- 模型约束： 更复杂的模型（如非对称高斯或第二个高斯成分）并未比单高斯模型提供统计学上显著的改进。数据并不支持在这些尺度上存在更亮的发射；显著更亮的成分会产生比观测到的更大的残差。
- 物理一致性： 恢复的高斯位置与 86 GHz GMVA 图像中观察到的边缘明亮喷流的南部/西南臂对齐，这与预期的大尺度喷流方向一致。
- 对先前数据的影响： 本研究证实，由于缺乏中等长度基线，该微弱成分在 2017 年和 2018 年的数据中是无法被探测到的，这验证了此前各历年环模型重建的稳健性。
意义与主张
论文声称提供了首次在 230 GHz 下对 M87* 附近中等尺度下微弱不对称发射的约束。其主要贡献是识别出了一个可能的喷流基部成分，解释了此前无法解释的部分“缺失通量”。
然而，作者对该探测是否具有决定性性质保持了谨慎且保守的态度：
- 形态学局限性： 由于中等长度基线数量有限（仅有两个），作者无法稳健地重建喷流基部的详细形态。恢复的高斯成分被视为在这些特定空间尺度下已解析喷流基量通量密度的上限。
- 系统误差： 虽然排除了极化泄漏和其他已知的系统误差作为信号来源的可能性，但作者承认，鉴于依赖于单基线/小三角形测量，无法完全排除未知的系统误差。
- 未来需求： 论文总结道，若要对喷流基部的结构和性质进行确定性的确认以及更高精度的约束，需要未来的 EHT 观测具备扩展的中等基线覆盖范围（增加站点）以及潜在的扩展频率范围。
总之，这项工作表明 2021 年 EHT 数据揭示了与喷流基部一致的微弱、西南偏移的发射成分，但当前的数据密度限制了其完全解析结构的能力，因此需要未来的观测来进行完整的物理表征。
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