——人類(lèi)有史以來(lái)首張黑洞照片誕生的背后

這注定是一個(gè)值得記住的時(shí)刻。北京時(shí)間4月10日21時(shí)，人類(lèi)有史以來(lái)捕獲的首張黑洞照片公之于世，長(zhǎng)久以來(lái)“活在傳說(shuō)中”的黑洞終于顯露真容。

這是人類(lèi)第一次真真切切地“看”到黑洞。這張來(lái)之不易的黑洞照片，揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞。這一黑洞距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。這一圖像的捕獲意味著，百年之前的愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論得到了首次試驗(yàn)驗(yàn)證。

在比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海和臺(tái)北、日本東京和美國(guó)華盛頓，全球六地以英語(yǔ)、西班牙語(yǔ)、漢語(yǔ)和日語(yǔ)四種語(yǔ)言同步召開(kāi)全球新聞發(fā)布會(huì)，宣布事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)項(xiàng)目取得的這一重大成果。記者在位于上海南丹路的中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，和中國(guó)科學(xué)家們一同見(jiàn)證了這一激動(dòng)人心的時(shí)刻。

“這是一項(xiàng)由全球200多位科研人員組成的團(tuán)隊(duì)完成的非凡的科研成果?！盓HT項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈佛大學(xué)教授謝潑德·多爾曼(Sheperd S. Doeleman)說(shuō)，“我們已經(jīng)取得了上一代人認(rèn)為不可能做到的事情。技術(shù)的突破、世界上最好的射電天文臺(tái)之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開(kāi)了一個(gè)關(guān)于黑洞和事件視界的全新窗口。”

神秘的黑洞背后有著太多秘密等待揭示，令一代代科學(xué)家為之著迷。首張黑洞照片透露了哪些信息？天文學(xué)家如何費(fèi)盡周折為黑洞“拍照”，一步步“逼近”黑洞？這一圖像的成功捕獲意味著什么，將為全球科學(xué)研究帶來(lái)怎樣的突破？

黑洞，從預(yù)言走到眼前

黑洞是一種被極度壓縮的宇宙天體，在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)包含著令人難以置信的質(zhì)量。它具有超強(qiáng)引力，即便光也無(wú)法逃脫它的勢(shì)力范圍——這種天體的存在以極端的方式影響著周?chē)沫h(huán)境，讓時(shí)空彎曲，并將周?chē)臍怏w吸進(jìn)來(lái)。在此過(guò)程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，氣體的溫度變得很高，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。

1915年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，以其天才的想象力預(yù)言了“黑洞”的存在。一年后，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西發(fā)表了第一個(gè)廣義相對(duì)論方程的完全解，計(jì)算出了“史瓦西球體”的出現(xiàn)，這一版本的“黑洞”不帶電荷，也不旋轉(zhuǎn)。此后很長(zhǎng)一段時(shí)間，科學(xué)家們嘗試各種辦法來(lái)驗(yàn)證“黑洞”是否真實(shí)存在。

在此次拍照前，科學(xué)家們通過(guò)各種間接證據(jù)來(lái)表明黑洞的存在：其一，恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞的強(qiáng)引力會(huì)對(duì)周?chē)暮阈?、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，可以通過(guò)觀測(cè)這種影響來(lái)確認(rèn)黑洞的存在；其二，黑洞會(huì)吸積其勢(shì)力范圍里的一切物質(zhì)，通過(guò)它“吃東西”發(fā)出的光來(lái)判斷黑洞的存在；其三，通過(guò)看到黑洞成長(zhǎng)的過(guò)程“看”見(jiàn)黑洞。

種種類(lèi)似的證據(jù)，無(wú)不說(shuō)明黑洞的真實(shí)存在。2015年，人類(lèi)第一次聽(tīng)到了兩個(gè)黑洞相互繞轉(zhuǎn)合并所產(chǎn)生的引力波之聲。但這些都還是間接的，科學(xué)家們迫切希望直接“看”到黑洞。這將給科學(xué)研究，包括理論解釋帶來(lái)巨大信心。

中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)研究員告訴記者，“黑洞是一個(gè)特殊的天體，也是一種非常簡(jiǎn)單的天體，要描述它無(wú)非弄清楚三個(gè)指標(biāo)：質(zhì)量、電荷和自轉(zhuǎn)?！碧煳膶W(xué)家們將宇宙中的黑洞根據(jù)質(zhì)量分成三類(lèi)：恒星級(jí)質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽(yáng)質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于兩者之間)。黑洞的勢(shì)力范圍，稱(chēng)作黑洞半徑或事件視界(event horizon)。

廣義相對(duì)論預(yù)言，由于黑洞的存在，人們將會(huì)看到中心區(qū)域存在一個(gè)由于黑洞視界而形成的陰影，周?chē)h(huán)繞一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的如新月?tīng)畹墓猸h(huán)。黑洞陰影則是人類(lèi)能看到的最接近黑洞本身的圖像。

“由于黑洞的尺寸正比于它的質(zhì)量，黑洞質(zhì)量越大，黑洞陰影越大?！鄙蛑緩?qiáng)說(shuō)，此次拍照選擇的主角——M87中心的黑洞質(zhì)量巨大，又相對(duì)接近地球，是從地球上看過(guò)去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為黑洞成像的一個(gè)完美目標(biāo)。

在天文學(xué)家捕獲的首張黑洞照片中，黑洞仿佛沉浸在一片類(lèi)似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域中?！拔覀冾A(yù)期黑洞會(huì)形成一個(gè)類(lèi)似陰影的黑暗區(qū)域。這正是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的，可我們以前從未見(jiàn)過(guò)?！盓HT科學(xué)委員會(huì)主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克(Heino Falcke)解釋?zhuān)斑@個(gè)暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對(duì)光子的捕獲。暗影揭示了黑洞這類(lèi)迷人天體的很多本質(zhì)，也使得我們能夠測(cè)量M87中心黑洞的巨大質(zhì)量。”

給黑洞拍照有多難

給黑洞拍照到底有多難？有人這樣比方，“就像我們站在地球上去觀看一枚放在月球表面的橙子。”

2012年就已參與黑洞觀測(cè)的中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森說(shuō)，這個(gè)比方一點(diǎn)不夸張。給黑洞拍照有幾大難點(diǎn)：首先是選擇合適的拍照對(duì)象，然后要共同合作組成一個(gè)超級(jí)大望遠(yuǎn)鏡，還必須在合適的觀測(cè)波段——毫米波?！坝^看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道，對(duì)黑洞成像而言，在合適的波段進(jìn)行觀測(cè)至關(guān)重要?！彼嬖V記者，這對(duì)設(shè)備精度和靈敏度的要求極高，同時(shí)需要“天時(shí)地利”的配合。去年4月間的全球觀測(cè)恰逢歷史上最好的天氣，取得的數(shù)據(jù)非常理想。

用什么樣的“相機(jī)”才能實(shí)現(xiàn)給黑洞拍照的宏大計(jì)劃？這一次的陣容堪稱(chēng)“地球級(jí)別”。全球科學(xué)界將分布在世界各地的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡(陣)“組合”起來(lái)，形成一個(gè)口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的?？梢哉f(shuō)，正是全球科學(xué)界同步的努力，讓人類(lèi)拍攝到有史以來(lái)首張黑洞照片。

路如森告訴記者，創(chuàng)建EHT是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，需要升級(jí)和連接部署8個(gè)現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)組成全球網(wǎng)絡(luò)，這些望遠(yuǎn)鏡分布在各具挑戰(zhàn)性的高海拔地區(qū)——包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點(diǎn)?？茖W(xué)家們?cè)谶@些觀測(cè)臺(tái)站晝夜不停地記錄、分析，2017年4月的EHT觀測(cè)中每個(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)。如果是這么多電影的話，至少要幾百年才能看完。

這一次給黑洞拍照到底有多精確？達(dá)到的分辨率約20微角秒?！跋喈?dāng)于在巴黎的一家路邊咖啡館，可以讀到紐約的報(bào)紙?！甭啡缟蛄诉@樣一個(gè)比方。

雖然這些射電望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有實(shí)際連接，但借助氫原子鐘精確計(jì)時(shí)，各臺(tái)望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的同步。這些數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在高性能的充氦硬盤(pán)上，隨后被空運(yùn)至馬普射電所和麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)，在那里，被稱(chēng)作相關(guān)處理機(jī)的高度專(zhuān)業(yè)化超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后，借助合作開(kāi)發(fā)的新型計(jì)算工具，這些數(shù)據(jù)被精心處理并用來(lái)生成圖像。

沈志強(qiáng)介紹，此次黑洞成像采用的是1967年出現(xiàn)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)技術(shù)，觀測(cè)波長(zhǎng)是1.3毫米，并且將有望擴(kuò)展到更短的0.8毫米。值得一提的是，VLBI技術(shù)也成功應(yīng)用于我國(guó)嫦娥探月工程的探測(cè)器的測(cè)定位。

全球科學(xué)界合作的典范

記者了解到，參與此次事件視界望遠(yuǎn)鏡大型國(guó)際合作項(xiàng)目的科研人員達(dá)200名之多，其中，來(lái)自中國(guó)大陸的學(xué)者有16人，分別來(lái)自上海天文臺(tái)8人、云南天文臺(tái)1人、高能物理所1人、南京大學(xué)2人、北京大學(xué)2人、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)1人、華中科技大學(xué)1人。另外，還有部分來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的學(xué)者。

“在捕獲首張黑洞圖像的過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)家做出了極具國(guó)際顯示度的工作?！鄙蛑緩?qiáng)自豪地說(shuō)。他告訴記者，我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注高分辨率黑洞觀測(cè)和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，在EHT國(guó)際合作形成之前就已開(kāi)展了多方面工作。在此次EHT合作中，我國(guó)科學(xué)家在早期EHT國(guó)際合作的推動(dòng)、EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)、夏威夷JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)、后期的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面作出了中國(guó)貢獻(xiàn)。此外，在2017年EHT全球聯(lián)合觀測(cè)的2017年3—5月期間，上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡作為東亞VLBI網(wǎng)成員共同參與了密集的毫米波VLBI協(xié)同觀測(cè)，為最終的M87黑洞成像提供了總流量的限制。

“我很早就與中國(guó)科學(xué)家合作研究黑洞，那是20年前，如今他們已是中國(guó)受人尊敬的科學(xué)家。我很高興能和他們一起慶祝此次進(jìn)展。在天文學(xué)、射電天文學(xué)、太空天體物理等領(lǐng)域，中國(guó)在這個(gè)全球項(xiàng)目中作出了非常重要的貢獻(xiàn)。”海諾·法爾克說(shuō)。

毫無(wú)疑問(wèn)，這一次“看見(jiàn)”黑洞的突破性工作是全球科學(xué)界合作的典范，離不開(kāi)數(shù)十年觀測(cè)、技術(shù)和理論工作的堅(jiān)持和積累，更離不開(kāi)來(lái)自世界各地的研究人員的密切合作。作為多年國(guó)際合作的結(jié)果，EHT為科學(xué)家們提供了研究宇宙中最極端天體的新手段。

參與此次觀測(cè)的望遠(yuǎn)鏡包括 ALMA、APEX、IRAM30米望遠(yuǎn)鏡、James Clerk Maxwell望遠(yuǎn)鏡、大毫米波望遠(yuǎn)鏡(LMT)、亞毫米波陣(SMA)、亞毫米波望遠(yuǎn)鏡(SMT)和南極望遠(yuǎn)鏡(SPT)。馬普射電所和麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)的專(zhuān)用超級(jí)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)了對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的互相關(guān)工作。據(jù)介紹，隨著IRAM NOEMA天文臺(tái)、格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和基特峰望遠(yuǎn)鏡的加入，未來(lái)EHT的靈敏度將顯著提高。

黑洞就在宇宙中，等著人們?nèi)ヌ骄?。黑洞?huì)影響我們的生活嗎？黑洞和它所在的星系之間究竟有什么關(guān)系？“對(duì)M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國(guó)際合作的終點(diǎn)，我們期望也相信，在不久的將來(lái)會(huì)有更多令人興奮的結(jié)果?！鄙蛑緩?qiáng)對(duì)此充滿(mǎn)信心。

(本報(bào)上海4月10日電 本報(bào)記者 顏維琦)