陳冰

這是一個非常特別的攝制組，20多年來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5500萬光年，這意味著我們看到的光是5500萬年前發(fā)出來的。宇宙如此恒久，而人的壽命不過百歲。一生擇一事，研究黑洞何其幸運！”他們說。

眾所周知，2019年4月，中國科學(xué)院上海天文臺與全球多地的科學(xué)家們一起，發(fā)布了由事件視界望遠鏡（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，這張來自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動，震驚世界。

2022年5月，上海天文臺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”證據(jù)，從強引力場的角度驗證了愛因斯坦廣義相對論。

2023年4月，由上海天文臺領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團隊換了個“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”向遠處延展的“尾巴”，即黑洞的噴流。

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

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程，也進一步激發(fā)了天文學(xué)家們繼續(xù)為黑洞“拍攝”照片、探索宇宙未知的強烈信心。上海天文臺研究團隊透露，造中國自己的亞毫米波望遠鏡，拍攝人類首部銀河系中心黑洞的“電影”，是他們未來前進的方向。

既然黑洞是“黑”的，連光線都無法逃脫，那我們又該如何看到黑洞呢？

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

廣義相對論預(yù)言，我們將會看到中心區(qū)域存在一個由于黑洞事件視界形成的陰影（black hole shadow），周圍環(huán)繞一個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：史瓦西半徑是沒有自旋的黑洞的事件視界半徑；對于銀河系中心黑洞來說其黑洞陰影大小與水星繞太陽軌道相當）。

哪個黑洞最容易被看到？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* 是兩個目前已知最優(yōu)的候選體。

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

古人云：“工欲善其事，必先利其器?！币獙诙闯上?，依賴于甚長基線干涉測量（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鏡組合起來，成為一臺相當于地球大小的虛擬望遠鏡。自上世紀60年代后期VLBI技術(shù)實現(xiàn)以來，其性能隨著技術(shù)的進步得到不斷提升，波長覆蓋也從厘米波段擴展到目前處于國際發(fā)展最前沿的（亞）毫米波段。如同觀看電視節(jié)目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，能夠在合適的波段進行VLBI觀測至關(guān)重要。隨著新的、高靈敏度亞毫米波臺站加入到全球1.3毫米-VLBI陣列，黑洞的成像觀測成為可能。

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

為了捕獲第一張黑洞圖像，由包括中國科學(xué)家在內(nèi)的全球300多名科學(xué)家形成了EHT這一重大國際合作計劃，并于2017年4月分別對M87星系中心黑洞和銀河系中心黑洞拍了照。為了增加探測靈敏度，EHT所記錄的數(shù)據(jù)量非常龐大，每個臺站的數(shù)據(jù)率達到驚人的32Gbit/s，8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB數(shù)據(jù)（相當于350萬部電影，至少要幾百年才能看完）。

EHT采用專用硬盤來記錄數(shù)據(jù)，再把它們送回數(shù)據(jù)中心進行處理。在那里，研究人員用超級計算機矯正電磁波抵達不同望遠鏡的時間差，并把所有數(shù)據(jù)做互相關(guān)綜合處理，從而達到信號相干的目的。

在此基礎(chǔ)之上，通過對這些數(shù)據(jù)經(jīng)過近兩年時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間短，所以先和我們見面。而銀河系中心黑洞的照片處理起來更復(fù)雜，直到三年后的2022年5月才被“沖洗”出來。

中國科學(xué)院上海天文臺臺長沈志強研究員告訴《新民周刊》，自己博士畢業(yè)后就開展了對銀河系中心黑洞的射電觀測，從1997年開始的5年間，一共開展了20多次高分辨率VLBI觀測，無線電波的“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年度中國基礎(chǔ)研究十大新聞。

作為EHT國內(nèi)牽頭人，沈志強領(lǐng)導(dǎo)天馬望遠鏡團隊，在2017年EHT觀測前夕完成對天馬望遠鏡在13毫米和7毫米兩個波段的VLBI系統(tǒng)調(diào)試以及低頻波段的檢查，成功組織天馬望遠鏡參加2017年3月至5月的EHT同步多波段VLBI國際聯(lián)測及后續(xù)數(shù)據(jù)分析等。這是國內(nèi)射電望遠鏡在7毫米工作波長首次成功參加國際VLBI聯(lián)合觀測。

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

沈志強說：“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的望遠鏡分布不足以實現(xiàn)“電影”的拍攝，需要更多望遠鏡的加入?！爸挥薪ㄔO(shè)我們自己的望遠鏡，才能掌握更多主動權(quán)。”沈志強說，為了參與到對黑洞24小時不間斷的接力觀測中，上海天文臺正為下一代黑洞動態(tài)成像，在我國青藏高原推動建設(shè)亞毫米波望遠鏡，以期在下一步給黑洞拍攝“電影”的研究中搶占科技制高點和更多國際學(xué)術(shù)話語權(quán)。

17年前，28歲的路如森還是上海天文臺的博士生，懷著對天文的無限熱愛開始了自己的學(xué)術(shù)生涯。

在德國科隆大學(xué)和上海天文臺獲得實驗物理和天體物理博士學(xué)位后，又長期在德國馬普射電天文研究所和美國麻省理工學(xué)院從事相關(guān)研究?！爱敃r國際上在這個領(lǐng)域已有較多積累，但國內(nèi)的基礎(chǔ)還相對薄弱。”2018年，路如森帶著多年研究積累，攜全家放棄國外永居，加入上海天文臺。他堅信，中國也一定能在這個領(lǐng)域做出引領(lǐng)性成果。

黑洞成像研究一直是上海天文臺著力發(fā)展的重點方向，尤其在前期3毫米觀測發(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際同行高度關(guān)注。一回國，路如森就憋著一股干勁兒，在這些基礎(chǔ)上著力開展國際最前沿的1毫米波段成像研究。憑借長期深入?yún)⑴cEHT等國際合作的經(jīng)驗和優(yōu)勢，他組織起科研團隊，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，不僅帶動臺內(nèi)形成黑洞天體物理觀測與理論研究聯(lián)合科研團隊，還牽頭數(shù)十名國際同行開展合作，瞄準世界前沿進行攻關(guān)。

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

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

2023年，他牽頭國際團隊完成對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黑洞周圍的吸積流和噴流一同進行成像，實現(xiàn)給活動星系核的“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何子山教授，對這張“全景”照給予高度評價：“關(guān)于大質(zhì)量黑洞的存在，首張黑洞照片是一個重大突破。此次的新發(fā)現(xiàn)，則是用獨立的方法，在不同的頻率，提供了一個很好的證據(jù)?！?/p>

在上海天文臺黑洞科研團隊中，江悟副研究員長期從事VLBI科學(xué)與技術(shù)研究。從技術(shù)開發(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，而這恰好與黑洞研究這一前沿課題比較契合。因為超大質(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所不用其極”，才終獲成功。在江悟看來，“整個研究過程可謂跌宕起伏，更是一個不斷追求卓越的過程”。

要從地球上看見黑洞，必須使用在亞毫米波段工作的望遠鏡。亞毫米波天文觀測需要干燥的天氣環(huán)境和稀薄的大氣，因此火山口是一個不錯的選擇。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圣地。給黑洞拍照的事件視界望遠鏡就有2臺建在這座火山口。

江悟是有幸去現(xiàn)場參加EHT觀測的科研人員。“去那里觀測除了高原反應(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，大家都熱情高漲，工作時一絲不茍，通力合作。”江悟回憶道，“最大的福利莫過于有時還能在凌晨返回基地的途中見到另一個山頭的火山口正噴發(fā)著火星子，同時見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。如今的天文觀測會產(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處理機平臺，使得以過去百倍的速度獲得了圖像校準。

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*的成像過程中，盡管這個黑洞比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，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動的小貓”，難度大大增加。這就需要通過各種算法校準，補償各臺望遠鏡在觀測中產(chǎn)生的誤差值。上海天文臺處理機平臺成為EHT項目中最強大的計算平臺之一，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黑洞科研團隊中的最年輕的一位。然而，從2017年開始，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程，其中對觀測數(shù)據(jù)的理論解釋是她最為擅長的環(huán)節(jié)：“對于公眾來說，可能看到黑洞照片就足夠了，但對于科研人員來說，我們更關(guān)心的是黑洞照片背后的物理意義。”

趙杉杉參與的理論工作組利用計算機數(shù)值模擬生成了一個龐大的模型圖像庫，并且不斷進行擴充。2019年時，模型圖像庫含6萬張圖像，到2022年時則擴充到180萬張圖像。理論工作組將模型圖像庫與觀測數(shù)據(jù)進行比較，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。我希望通過我的介紹，讓公眾感受到‘看見’黑洞于人類而言是一件非常偉大的事。”趙杉杉說，“理論上關(guān)于黑洞的解釋堪稱完美，但黑洞的真實環(huán)境遠超想象，黑洞其實也和人一樣，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’，將最新的成果帶給大眾是我們的責(zé)任和義務(wù)，同時這也是一種分享的快樂?！?/p>

EHT觀測使用了甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)，觀測波段是1.3毫米。世界各地的射電望遠鏡同步觀測，同時利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個口徑如地球大小的虛擬望遠鏡，達到的分辨率約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個觀測臺站組成的EHT觀測網(wǎng)對銀河系中心超大質(zhì)量黑洞Sgr A*和M87星系中心超大質(zhì)量黑洞開展了首次觀測。

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)目標為牽引，最大限度地匯集全球智慧，堅持不懈地將理論研究與觀測和技術(shù)創(chuàng)新相結(jié)合，堪稱是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域全球團隊合作的一個典范。

2020年基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎頒給了參與EHT合作的347位研究人員，參與此次國際合作項目的我國大陸學(xué)者共有16人，其中有8位來自上海天文臺。

參加2017年EHT首次黑洞成像觀測的望遠鏡。