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。“人類首次拍攝的黑洞距離地球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)！”給黑洞“拍電影”的人說(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(pán)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)展了多年的成像研究。從1997年開(kāi)始，全球的科學(xué)家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。

從拍照到拍“電影”的巨大跨越

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？

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”。20世紀(jì)90年代后期，科學(xué)家便有了共識(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”。

要對(duì)黑洞成像，依賴于甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（VLBI），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。

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。為增加探測(cè)靈敏度，EHT所記錄的數(shù)據(jù)量非常龐大，八個(gè)臺(tái)站在五天觀測(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）。

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)說(shuō)，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)始的五年間，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。

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?！?h3>在黑洞成像領(lǐng)域發(fā)出“中國(guó)聲音”

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，路如森又長(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”。2018年，路如森攜家人回到國(guó)內(nèi)，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。

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)際最前沿的一毫米波段成像研究。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，路如森牽頭國(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。

“探索未知是人類的天性”

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，也因此成為天文觀測(cè)圣地。給黑洞拍照的事件視界望遠(yuǎn)鏡就有兩臺(tái)建在這座火山口。

江悟是有幸去現(xiàn)場(chǎng)參加EHT觀測(cè)的科研人員之一。他回憶說(shuō)：“去那里觀測(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?！?/p>

回到上海，江悟?qū)⒅饕Χ挤旁跀?shù)據(jù)處理上。他組織搭建了上海天文臺(tái)處理機(jī)平臺(tái)，使其以過(guò)去百倍的速度獲得了圖像校準(zhǔn)。

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。

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)含六萬(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)，這種分享也給我們帶來(lái)快樂(lè)。”

（摘自《工人日?qǐng)?bào)》）