人類首張黑洞照片。圖片來(lái)源：事件視界望遠(yuǎn)鏡國(guó)際合作組織

何其幸運(yùn)，從此刻起，我們成為史上第一代“看見(jiàn)”黑洞的人！

它和你想象的一樣嗎？是像一面燃燒的火墻、張開(kāi)血盆大口的黑暗怪獸，還是和《星際穿越》中的卡岡圖雅黑洞一樣，有著深不見(jiàn)底的黑色中心？

電影《星際穿越》中的卡岡圖雅黑洞

一切的猜想在北京時(shí)間2019年4月10日21時(shí)07分宣告結(jié)束。這一刻，在中國(guó)上海和臺(tái)北、在比利時(shí)布魯塞爾、在智利圣地亞哥、在日本東京、在美國(guó)華盛頓，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國(guó)際合作組織的科學(xué)家們用漢語(yǔ)、西班牙語(yǔ)、日語(yǔ)和英語(yǔ)同時(shí)發(fā)布了世界上首張黑洞照片，這是超大黑洞的第一個(gè)直接視覺(jué)證據(jù)。這張備受全球矚目的“照片”揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系 Messier87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍，是從地球上望去最大的黑洞之一。

“愛(ài)因斯坦是對(duì)的?！敝袊?guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、研究員沈志強(qiáng)在發(fā)布會(huì)上肯定地說(shuō)。在理論上，黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體，它具有超強(qiáng)的引力，使得宇宙中最快的光也無(wú)法逃脫它的勢(shì)力范圍。廣義相對(duì)論的提出，距今已經(jīng)104年了。為什么要給黑洞拍照？這照片緣何遲遲才能拍到？怎么給黑洞拍攝和沖洗照片？當(dāng)曾經(jīng)的遙不可及首次褪去神秘光環(huán)，更多的問(wèn)號(hào)也接踵而來(lái)。

黑洞假想圖。圖片來(lái)源：NASA

黑洞理論的歷史，可以追溯到很久以前，但直到上世紀(jì)70年代，人類才開(kāi)始利用天文手段開(kāi)展觀測(cè)（在此之前，科學(xué)家對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)停留在“說(shuō)說(shuō)而已”的階段），其后的近50年里，人們一步步逼近黑洞。在這張照片問(wèn)世前，科學(xué)家們通過(guò)各種間接證據(jù)來(lái)表明黑洞的存在?！班従印焙阈?、氣體的運(yùn)動(dòng)暴露了黑洞的蹤跡，根據(jù)黑洞“進(jìn)食”發(fā)出的光來(lái)判斷它的存在，抑或是通過(guò)“圍觀”黑洞的成長(zhǎng)過(guò)程來(lái)“看見(jiàn)”黑洞……然而，在這個(gè)無(wú)圖無(wú)真相的時(shí)代，沒(méi)有什么比一張照片更有說(shuō)服力了。

沈志強(qiáng)說(shuō)，“從某種意義而言，黑洞其實(shí)是一個(gè)很簡(jiǎn)單的天體”。他的意思是，黑洞其實(shí)只有質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)和電荷三個(gè)要素。2015年9月，人類第一次聽(tīng)到了兩個(gè)黑洞相互碰撞的天籟之音：引力波。之后，科學(xué)家們更是加快腳步，為一探黑洞的“廬山真面目”而努力。2016年起，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（EHT）頻繁組織會(huì)議，同時(shí)也為聯(lián)合觀測(cè)做著包括優(yōu)化數(shù)據(jù)記錄、提高觀測(cè)靈敏度在內(nèi)的技術(shù)儲(chǔ)備。“事件視界”的名字，來(lái)源于黑洞的一個(gè)專業(yè)名詞：黑洞一旦形成，就會(huì)在其勢(shì)力范圍周圍形成一個(gè)界面，被稱作“事件視界”。

正式給黑洞“拍照”，始于2年前。

2017年4月5日至14日之間，來(lái)自全球30多個(gè)研究所的200余名科學(xué)家們開(kāi)展了一項(xiàng)偉大的觀測(cè)計(jì)劃——利用分布于全球不同地區(qū)的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡（陣）組成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，也被稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”?！笆澜缟显擃I(lǐng)域的幾乎所有科研人員，都不同程度地參與其中了。”沈志強(qiáng)介紹。這是一個(gè)總口徑等效于地球直徑的虛擬巨型望遠(yuǎn)鏡，其分辨本領(lǐng)比著名的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡還要高出1000倍，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到身處紐約的報(bào)紙。

“八兄弟”此次觀測(cè)目標(biāo)有兩個(gè)，一是銀河系中心黑洞人馬座A* ，另一個(gè)位于星系M87中的黑洞，兩者都是公認(rèn)的黑洞研究的最佳對(duì)象。值得一提的是，人馬座A*是沈志強(qiáng)的“老朋友”了。早在2005年，沈志強(qiáng)領(lǐng)銜的國(guó)際天文小組，首次將黑洞人馬座A*“鎖定”在1.5億公里直徑的區(qū)域內(nèi)，將黑洞的搜索范圍縮小了至少一半。

位于美國(guó)夏威夷的SMA（陣） 來(lái)源：SMA官網(wǎng)

觀測(cè)黑洞，對(duì)地理環(huán)境有著近乎苛刻的要求，海拔低的地方并不合適，這也直接否決了絕大多數(shù)的天文臺(tái)址。然而，在空氣稀薄的高海拔區(qū)域，對(duì)設(shè)備、技術(shù)和人，都是考驗(yàn)?！耙獙?duì)黑洞成像，望遠(yuǎn)鏡得足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠細(xì)小，從而保證看得到以及看得清?！敝锌圃荷虾Ｌ煳呐_(tái)研究員路如森表示，“滿足這些條件，最好的工具莫過(guò)于成功應(yīng)用于我國(guó)嫦娥探月工程探測(cè)器測(cè)定位的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)?！?路如森和沈志強(qiáng)告訴記者，這些高精尖的望遠(yuǎn)鏡里的工作環(huán)境可不友好，通宵作戰(zhàn)是必需的，偶爾飆出個(gè)高血壓也很平常，把重重的磁盤(pán)陣列放入設(shè)備中還是個(gè)力氣活，更別提遠(yuǎn)在地球最南端的南極點(diǎn)了，僅僅是觀測(cè)數(shù)據(jù)的取回就花了小半年。

創(chuàng)建EHT是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，需要升級(jí)和連接部署八個(gè)現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡（陣）來(lái)組成全球網(wǎng)絡(luò)，而這些望遠(yuǎn)鏡分布在各種具有挑戰(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)。包括8名上海天文臺(tái)科研人員在內(nèi)的16位中國(guó)大陸科學(xué)家參與了位于夏威夷莫納克亞山上的15米望遠(yuǎn)鏡（JCMT）的觀測(cè)運(yùn)行，其中一位今天也將出席在美國(guó)華盛頓的聯(lián)合發(fā)布會(huì)。

墨西哥的LMT。來(lái)源：LMT官網(wǎng)

“雖然中國(guó)沒(méi)有大科學(xué)設(shè)備參與觀測(cè)，但我們?cè)谟^測(cè)層面做出了具有國(guó)際顯示度的積極貢獻(xiàn)。從EHT的雛形起，我們就一直參與其中。VLBI技術(shù)1967年在世界上首次試驗(yàn)成功，中科院上海天文臺(tái)從上世紀(jì)70年代起便開(kāi)始且始終對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)VLBI技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了主導(dǎo)作用。這也是為什么選擇上海作為六個(gè)發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)之一的原因?！鄙蛑緩?qiáng)的話語(yǔ)中流露著自豪。

還值得一提的是，雖然上海的天馬望遠(yuǎn)鏡的最高工作頻率是43GHz，不在“事件視界望遠(yuǎn)鏡”之列，但在2017年EHT全球聯(lián)合觀測(cè)的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。

在2017年4月的觀測(cè)前，科學(xué)家們已經(jīng)利用毫米望遠(yuǎn)鏡對(duì)M87星系的黑洞和人馬座A*開(kāi)展了持續(xù)多年的“追蹤”，并取得了可喜的成果。為了增加空間分辨率，科學(xué)家們?cè)诖舜斡^測(cè)時(shí)增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡（陣），這也對(duì)觀測(cè)窗口的天氣提出了更苛刻的要求?！疤貏e幸運(yùn)的是，觀測(cè)期間，分布在全球六地的8面射電望遠(yuǎn)鏡（陣）所在地的天氣都出奇的好?！鄙蛑緩?qiáng)告訴記者。

為黑洞拍照已是一項(xiàng)復(fù)雜工程，“沖洗”照片更是讓人們等了足足兩年。對(duì)此沈志強(qiáng)解釋，科學(xué)家們用了大量時(shí)間比較分析，希望得到無(wú)可置疑的圖像?！跋Ｍ麑?lái)大家能記住今天的這一時(shí)刻?！?/p>

黑洞自身并不發(fā)光，那么，給黑洞“拍照”究竟是拍什么呢？答案是黑洞的“陰影”，就好像是給神秘的黑洞拍了一張神秘的剪影照。據(jù)介紹，黑洞以極端方式影響著周圍的環(huán)境，讓時(shí)空彎曲，并將周圍的氣體吸進(jìn)來(lái)。在此過(guò)程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，因此氣體的溫度變得很高，會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，很是明亮?！叭绱艘粊?lái)，黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，我們預(yù)期黑洞會(huì)形成一個(gè)類似陰影的黑暗區(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)。”EHT 科學(xué)委員會(huì)主席、來(lái)自荷蘭拉德堡德大學(xué)的海諾·法爾克解釋。“這個(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?！?/p>

2005年，沈志強(qiáng)領(lǐng)銜的國(guó)際研究組用散布于美國(guó)大陸的10面25米射電望遠(yuǎn)鏡組成的甚長(zhǎng)基線干涉陣獲得了世界上第一張3.5毫米波長(zhǎng)的人馬座A* 圖片。這一次，“八兄弟”的工作波段為1.3毫米?！霸诂F(xiàn)實(shí)生活中，2.2毫米幾乎微不足道?？稍谔煳挠^測(cè)中，這是一個(gè)跨越式的提升，足以讓我們看清黑洞的陰影?！鄙蛑緩?qiáng)表示。

取得首張黑洞照片，對(duì)于科學(xué)家們而言更是一種激勵(lì)。如今，他們已經(jīng)緊鑼密鼓開(kāi)始了可以工作在375GHz頻率、0.8毫米波長(zhǎng)的射電望遠(yuǎn)鏡的測(cè)試工作?！皩?duì)M87中心黑洞的順利成像絕不是 EHT 國(guó)際合作的終點(diǎn)站，”上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)研究員說(shuō)?！半S著法國(guó)阿爾卑斯山IRAMNOEMA天文臺(tái)、格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)基特峰望遠(yuǎn)鏡的加入，未來(lái)EHT的靈敏度將顯著提高。我們期望觀測(cè)更多黑洞，更多天體，也相信在不久的將來(lái)EHT會(huì)有更多令人興奮的結(jié)果?！?/p>

編輯：唐夢(mèng)葭