陳冰

這是一個(gè)非常特別的攝制組，20多年來(lái)一直致力于拍攝人類所能想象的最神秘天體——黑洞?！叭祟愂状闻臄z的黑洞距離地球5500萬(wàn)光年，這意味著我們看到的光是5500萬(wàn)年前發(fā)出來(lái)的。宇宙如此恒久，而人的壽命不過(guò)百歲。一生擇一事，研究黑洞何其幸運(yùn)！”他們說(shuō)。

眾所周知，2019年4月，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)與全球多地的科學(xué)家們一起，發(fā)布了由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）拍下的人類首張黑洞照片——M87星系中心超大質(zhì)量黑洞首張照片，這張來(lái)自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動(dòng)，震驚世界。

2022年5月，上海天文臺(tái)再次參與全球同步發(fā)布由EHT“拍攝”的銀河系中心黑洞（Sgr A*）首張照片，為其黑洞的存在提供了直接“視覺(jué)”證據(jù)，從強(qiáng)引力場(chǎng)的角度驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論。

2023年4月，由上海天文臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)換了個(gè)“頻道”看M87黑洞，首次拍攝到了M87的黑洞“全景照片”，將黑洞陰影、吸積盤和噴流同時(shí)展現(xiàn)在一張照片里。在這張全景照片中，不僅有“甜甜圈”，還能看到從“甜甜圈”向遠(yuǎn)處延展的“尾巴”，即黑洞的噴流。

實(shí)際上，自1974年銀河系中心黑洞所對(duì)應(yīng)的致密射電源人馬座A*（Sgr A*）被首次發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)這個(gè)距離我們最近的（約27000光年）超大質(zhì)量黑洞候選體開(kāi)展了30多年的成像研究。從1997年開(kāi)始，全球的科學(xué)家們就用新方法不斷提高觀測(cè)精度，從而讓無(wú)線電波的“視線”一步步逼近黑洞，并最終促成了EHT這一國(guó)際合作。

2023年黑洞全景照片的出現(xiàn)，使得天文學(xué)家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過(guò)程，也進(jìn)一步激發(fā)了天文學(xué)家們繼續(xù)為黑洞“拍攝”照片、探索宇宙未知的強(qiáng)烈信心。上海天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)透露，造中國(guó)自己的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，拍攝人類首部銀河系中心黑洞的“電影”，是他們未來(lái)前進(jìn)的方向。

既然黑洞是“黑”的，連光線都無(wú)法逃脫，那我們又該如何看到黑洞呢？

事實(shí)上，黑洞并不是孤立存在的，它的周圍存在大量氣體。由于黑洞的強(qiáng)大引力，氣體會(huì)繞黑洞旋轉(zhuǎn)，并被黑洞吸進(jìn)去。而當(dāng)這些氣體被加熱到數(shù)十億攝氏度高溫時(shí)，便會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。同時(shí)，黑洞也會(huì)以噴流和風(fēng)的形式向外噴射物質(zhì)和能量。

廣義相對(duì)論預(yù)言，我們將會(huì)看到中心區(qū)域存在一個(gè)由于黑洞事件視界形成的陰影（black hole shadow），周圍環(huán)繞一個(gè)由吸積或噴流的輻射造成的光環(huán)——它狀如新月，大小約5倍史瓦西半徑（注：史瓦西半徑是沒(méi)有自旋的黑洞的事件視界半徑；對(duì)于銀河系中心黑洞來(lái)說(shuō)其黑洞陰影大小與水星繞太陽(yáng)軌道相當(dāng)）。

哪個(gè)黑洞最容易被看到？質(zhì)量越大、距離越近的黑洞，其黑洞陰影從地球看來(lái)越大，也就越容易被看到。位于人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A* 和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87* 是兩個(gè)目前已知最優(yōu)的候選體。

在沒(méi)能一睹黑洞真容的歲月里，科學(xué)家通過(guò)計(jì)算模擬黑洞的“樣貌”。90年代后期，科學(xué)家們便有了共識(shí)，隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，黑洞遲早有一天可以被射電望遠(yuǎn)鏡“看到”。

古人云：“工欲善其事，必先利其器?！币獙?duì)黑洞成像，依賴于甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技術(shù)，這一技術(shù)可以把分布在全球各地的射電望遠(yuǎn)鏡組合起來(lái)，成為一臺(tái)相當(dāng)于地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡。自上世紀(jì)60年代后期VLBI技術(shù)實(shí)現(xiàn)以來(lái)，其性能隨著技術(shù)的進(jìn)步得到不斷提升，波長(zhǎng)覆蓋也從厘米波段擴(kuò)展到目前處于國(guó)際發(fā)展最前沿的（亞）毫米波段。如同觀看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道一樣，對(duì)黑洞成像而言，能夠在合適的波段進(jìn)行VLBI觀測(cè)至關(guān)重要。隨著新的、高靈敏度亞毫米波臺(tái)站加入到全球1.3毫米-VLBI陣列，黑洞的成像觀測(cè)成為可能。

在沒(méi)能一睹黑洞真容的歲月里，科學(xué)家通過(guò)計(jì)算模擬黑洞的“樣貌”。90年代后期，科學(xué)家們便有了共識(shí)，隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，黑洞遲早有一天可以被射電望遠(yuǎn)鏡“看到”。

為了捕獲第一張黑洞圖像，由包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的全球300多名科學(xué)家形成了EHT這一重大國(guó)際合作計(jì)劃，并于2017年4月分別對(duì)M87星系中心黑洞和銀河系中心黑洞拍了照。為了增加探測(cè)靈敏度，EHT所記錄的數(shù)據(jù)量非常龐大，每個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32Gbit/s，8個(gè)臺(tái)站在5天觀測(cè)期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)（相當(dāng)于350萬(wàn)部電影，至少要幾百年才能看完）。

EHT采用專用硬盤來(lái)記錄數(shù)據(jù)，再把它們送回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。在那里，研究人員用超級(jí)計(jì)算機(jī)矯正電磁波抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達(dá)到信號(hào)相干的目的。

在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的后期處理和分析，人類終于在2019年4月捕獲了首張黑洞圖像——M87星系中心黑洞的首張照片。M87星系中心黑洞的照片處理時(shí)間短，所以先和我們見(jiàn)面。而銀河系中心黑洞的照片處理起來(lái)更復(fù)雜，直到三年后的2022年5月才被“沖洗”出來(lái)。

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)研究員告訴《新民周刊》，自己博士畢業(yè)后就開(kāi)展了對(duì)銀河系中心黑洞的射電觀測(cè)，從1997年開(kāi)始的5年間，一共開(kāi)展了20多次高分辨率VLBI觀測(cè)，無(wú)線電波的“視線”一步步接近該黑洞。2005年在《自然》雜志上發(fā)表了世界上首張3.5毫米波長(zhǎng)的銀河系中心黑洞Sgr A*的高分辨率圖像，該成果入選2005年度中國(guó)基礎(chǔ)研究十大新聞。

作為EHT國(guó)內(nèi)牽頭人，沈志強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)天馬望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)，在2017年EHT觀測(cè)前夕完成對(duì)天馬望遠(yuǎn)鏡在13毫米和7毫米兩個(gè)波段的VLBI系統(tǒng)調(diào)試以及低頻波段的檢查，成功組織天馬望遠(yuǎn)鏡參加2017年3月至5月的EHT同步多波段VLBI國(guó)際聯(lián)測(cè)及后續(xù)數(shù)據(jù)分析等。這是國(guó)內(nèi)射電望遠(yuǎn)鏡在7毫米工作波長(zhǎng)首次成功參加國(guó)際VLBI聯(lián)合觀測(cè)。

然而，黑洞并不是靜止的，它每時(shí)每刻都在和周圍環(huán)境相互作用，因此不同時(shí)刻看它，它是不一樣的。拍攝“動(dòng)態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時(shí)間維度，讓人們能夠全方位地觀測(cè)和理解黑洞。

沈志強(qiáng)說(shuō)：“拍攝一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是下一代EHT的追求?！?/p>

目前EHT的望遠(yuǎn)鏡分布不足以實(shí)現(xiàn)“電影”的拍攝，需要更多望遠(yuǎn)鏡的加入。“只有建設(shè)我們自己的望遠(yuǎn)鏡，才能掌握更多主動(dòng)權(quán)?！鄙蛑緩?qiáng)說(shuō)，為了參與到對(duì)黑洞24小時(shí)不間斷的接力觀測(cè)中，上海天文臺(tái)正為下一代黑洞動(dòng)態(tài)成像，在我國(guó)青藏高原推動(dòng)建設(shè)亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，以期在下一步給黑洞拍攝“電影”的研究中搶占科技制高點(diǎn)和更多國(guó)際學(xué)術(shù)話語(yǔ)權(quán)。

17年前，28歲的路如森還是上海天文臺(tái)的博士生，懷著對(duì)天文的無(wú)限熱愛(ài)開(kāi)始了自己的學(xué)術(shù)生涯。

在德國(guó)科隆大學(xué)和上海天文臺(tái)獲得實(shí)驗(yàn)物理和天體物理博士學(xué)位后，又長(zhǎng)期在德國(guó)馬普射電天文研究所和美國(guó)麻省理工學(xué)院從事相關(guān)研究?！爱?dāng)時(shí)國(guó)際上在這個(gè)領(lǐng)域已有較多積累，但國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)還相對(duì)薄弱?！?018年，路如森帶著多年研究積累，攜全家放棄國(guó)外永居，加入上海天文臺(tái)。他堅(jiān)信，中國(guó)也一定能在這個(gè)領(lǐng)域做出引領(lǐng)性成果。

黑洞成像研究一直是上海天文臺(tái)著力發(fā)展的重點(diǎn)方向，尤其在前期3毫米觀測(cè)發(fā)現(xiàn)銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的新證方面引起了國(guó)際同行高度關(guān)注。一回國(guó)，路如森就憋著一股干勁兒，在這些基礎(chǔ)上著力開(kāi)展國(guó)際最前沿的1毫米波段成像研究。憑借長(zhǎng)期深入?yún)⑴cEHT等國(guó)際合作的經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)勢(shì)，他組織起科研團(tuán)隊(duì)，聚焦近鄰超大質(zhì)量黑洞與噴流的高分辨率成像研究，推進(jìn)EHT、東亞（亞）毫米波VLBI等合作，與馬普射電天文研究所成立伙伴小組，不僅帶動(dòng)臺(tái)內(nèi)形成黑洞天體物理觀測(cè)與理論研究聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，還牽頭數(shù)十名國(guó)際同行開(kāi)展合作，瞄準(zhǔn)世界前沿進(jìn)行攻關(guān)。

2023年7月團(tuán)隊(duì)主辦黑洞圖像研討會(huì)。沈志強(qiáng)（前排中）、路如森（前排左二）、趙杉杉（二排左二）、江悟（后排中）。

但研究過(guò)程并非一帆風(fēng)順，出成果的過(guò)程煎熬又磨人。但路如森認(rèn)為：“科學(xué)需要辯論，已有研究的‘天花板’需要打破，更要發(fā)出‘中國(guó)聲音’?！?/p>

2023年，他牽頭國(guó)際團(tuán)隊(duì)完成對(duì)M87黑洞及其周圍環(huán)境的成像研究，首次在新波段捕獲該黑洞的照片并對(duì)黑洞周圍的吸積流和噴流一同進(jìn)行成像，實(shí)現(xiàn)給活動(dòng)星系核的“中央引擎”拍攝“全景照”的突破，結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志，在全球引發(fā)廣泛關(guān)注。美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士、北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所所長(zhǎng)何子山教授，對(duì)這張“全景”照給予高度評(píng)價(jià)：“關(guān)于大質(zhì)量黑洞的存在，首張黑洞照片是一個(gè)重大突破。此次的新發(fā)現(xiàn)，則是用獨(dú)立的方法，在不同的頻率，提供了一個(gè)很好的證據(jù)?！?/p>

在上海天文臺(tái)黑洞科研團(tuán)隊(duì)中，江悟副研究員長(zhǎng)期從事VLBI科學(xué)與技術(shù)研究。從技術(shù)開(kāi)發(fā)“半路出家”改行做天文研究，江悟一邊做科學(xué)研究，一邊兼顧技術(shù)上的改進(jìn)，而這恰好與黑洞研究這一前沿課題比較契合。因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞本身就是宇宙中具有極端物理環(huán)境的天體，為了讓它現(xiàn)身，天文學(xué)家?guī)缀酢盁o(wú)所不用其極”，才終獲成功。在江悟看來(lái)，“整個(gè)研究過(guò)程可謂跌宕起伏，更是一個(gè)不斷追求卓越的過(guò)程”。

要從地球上看見(jiàn)黑洞，必須使用在亞毫米波段工作的望遠(yuǎn)鏡。亞毫米波天文觀測(cè)需要干燥的天氣環(huán)境和稀薄的大氣，因此火山口是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。夏威夷有兩座著名的火山，一座仍然活躍，另一座是休眠火山，也因此成為了天文觀測(cè)圣地。給黑洞拍照的事件視界望遠(yuǎn)鏡就有2臺(tái)建在這座火山口。

江悟是有幸去現(xiàn)場(chǎng)參加EHT觀測(cè)的科研人員?！叭ツ抢镉^測(cè)除了高原反應(yīng)引起的氣喘和些許頭痛外，印象最深的是雖然在半夜觀測(cè)，大家都熱情高漲，工作時(shí)一絲不茍，通力合作?！苯蚧貞浀?，“最大的福利莫過(guò)于有時(shí)還能在凌晨返回基地的途中見(jiàn)到另一個(gè)山頭的火山口正噴發(fā)著火星子，同時(shí)見(jiàn)證大自然的神奇和宇宙黑洞的神奇算是都趕上了?！?/p>

回到上海，江悟?qū)⒅饕Χ挤旁跀?shù)據(jù)處理上。如今的天文觀測(cè)會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，需要復(fù)雜的演算才能獲得結(jié)果。江悟搭建了上海天文臺(tái)處理機(jī)平臺(tái)，使得以過(guò)去百倍的速度獲得了圖像校準(zhǔn)。

2022年5月，EHT發(fā)布銀河系中心黑洞1.3毫米照片。

尤其是在銀河系中心黑洞Sgr A*的成像過(guò)程中，盡管這個(gè)黑洞比M87黑洞要離地球更近，但由于需要隔著銀盤上的各種氣體和塵埃去觀測(cè)，銀河系中心黑洞又“善變”，因此給它拍照，就像是“隔著水霧繚繞的玻璃去拍玻璃后面一只愛(ài)動(dòng)的小貓”，難度大大增加。這就需要通過(guò)各種算法校準(zhǔn)，補(bǔ)償各臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)中產(chǎn)生的誤差值。上海天文臺(tái)處理機(jī)平臺(tái)成為EHT項(xiàng)目中最強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)之一，也領(lǐng)到了一輪接一輪的成圖處理和算法迭代優(yōu)化任務(wù)，為黑洞最終成片出力甚多。

90后的助理研究員趙杉杉是上海天文臺(tái)黑洞科研團(tuán)隊(duì)中的最年輕的一位。然而，從2017年開(kāi)始，她就參與了M87黑洞照片和銀河系中心黑洞照片的合作研究過(guò)程，其中對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的理論解釋是她最為擅長(zhǎng)的環(huán)節(jié)：“對(duì)于公眾來(lái)說(shuō)，可能看到黑洞照片就足夠了，但對(duì)于科研人員來(lái)說(shuō)，我們更關(guān)心的是黑洞照片背后的物理意義?！?/p>

趙杉杉參與的理論工作組利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬生成了一個(gè)龐大的模型圖像庫(kù)，并且不斷進(jìn)行擴(kuò)充。2019年時(shí)，模型圖像庫(kù)含6萬(wàn)張圖像，到2022年時(shí)則擴(kuò)充到180萬(wàn)張圖像。理論工作組將模型圖像庫(kù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，篩選出二者符合良好的模型，這將幫助科學(xué)家們更好地解釋黑洞，甚至能從黑洞的各種性質(zhì)中建立新的天文學(xué)和物理學(xué)理論。

除了科研，趙杉杉還積極投身科普?！拔覀兊某晒粌H僅是科學(xué)家的成果，更是全人類的成果。我希望通過(guò)我的介紹，讓公眾感受到‘看見(jiàn)’黑洞于人類而言是一件非常偉大的事?！壁w杉杉說(shuō)，“理論上關(guān)于黑洞的解釋堪稱完美，但黑洞的真實(shí)環(huán)境遠(yuǎn)超想象，黑洞其實(shí)也和人一樣，正在經(jīng)歷著許多事情。探索未知是人類的天性。我們作為專業(yè)的探索黑洞未知的‘先遣隊(duì)’，將最新的成果帶給大眾是我們的責(zé)任和義務(wù)，同時(shí)這也是一種分享的快樂(lè)?！?/p>

EHT觀測(cè)使用了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，觀測(cè)波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測(cè)，同時(shí)利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個(gè)口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡，達(dá)到的分辨率約20微角秒，足以在巴黎的一家路邊咖啡館閱讀紐約的報(bào)紙。

EHT為科學(xué)家們提供了研究宇宙中最極端天體的新方法。2017年4月由全球6地的8個(gè)觀測(cè)臺(tái)站組成的EHT觀測(cè)網(wǎng)對(duì)銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*和M87星系中心超大質(zhì)量黑洞開(kāi)展了首次觀測(cè)。

EHT的建設(shè)和黑洞照片的最終捕獲源于世界各地科研人員數(shù)十年始終以明確的科學(xué)目標(biāo)為牽引，最大限度地匯集全球智慧，堅(jiān)持不懈地將理論研究與觀測(cè)和技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合，堪稱是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域全球團(tuán)隊(duì)合作的一個(gè)典范。

2020年基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)?lì)C給了參與EHT合作的347位研究人員，參與此次國(guó)際合作項(xiàng)目的我國(guó)大陸學(xué)者共有16人，其中有8位來(lái)自上海天文臺(tái)。

參加2017年EHT首次黑洞成像觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡。