從預(yù)言走到眼前 人類有史以來首張黑洞照片誕生的背后

這注定是一個值得記住的時刻。北京時間4月10日21時，人類有史以來捕獲的首張黑洞照片公之于世，長久以來“活在傳說中”的黑洞終于顯露真容。

這是人類第一次真真切切地“看”到黑洞。這張來之不易的黑洞照片，揭示了室女座星系團中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞。這一黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。這一圖像的捕獲意味著，百年之前的愛因斯坦廣義相對論得到了首次試驗驗證。

在比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓，全球六地以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言同步召開全球新聞發(fā)布會，宣布事件視界望遠鏡(EHT)項目取得的這一重大成果。記者在位于上海南丹路的中國科學(xué)院上海天文臺，和中國科學(xué)家們一同見證了這一激動人心的時刻。

“這是一項由全球200多位科研人員組成的團隊完成的非凡的科研成果。”EHT項目負責(zé)人、哈佛大學(xué)教授謝潑德·多爾曼(Sheperd S. Doeleman)說，“我們已經(jīng)取得了上一代人認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之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開了一個關(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。它具有超強引力，即便光也無法逃脫它的勢力范圍——這種天體的存在以極端的方式影響著周圍的環(huán)境，讓時空彎曲，并將周圍的氣體吸進來。在此過程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，氣體的溫度變得很高，會發(fā)出強烈的輻射。

1915年，阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，以其天才的想象力預(yù)言了“黑洞”的存在。一年后，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西發(fā)表了第一個廣義相對論方程的完全解，計算出了“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)。此后很長一段時間，科學(xué)家們嘗試各種辦法來驗證“黑洞”是否真實存在。

在此次拍照前，科學(xué)家們通過各種間接證據(jù)來表明黑洞的存在：其一，恒星、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞的強引力會對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在；其二，黑洞會吸積其勢力范圍里的一切物質(zhì)，通過它“吃東西”發(fā)出的光來判斷黑洞的存在；其三，通過看到黑洞成長的過程“看”見黑洞。

種種類似的證據(jù)，無不說明黑洞的真實存在。2015年，人類第一次聽到了兩個黑洞相互繞轉(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，包括理論解釋帶來巨大信心。

中國科學(xué)院上海天文臺臺長沈志強研究員告訴記者，“黑洞是一個特殊的天體，也是一種非常簡單的天體，要描述它無非弄清楚三個指標：質(zhì)量、電荷和自轉(zhuǎn)。”天文學(xué)家們將宇宙中的黑洞根據(jù)質(zhì)量分成三類：恒星級質(zhì)量黑洞(幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量)、超大質(zhì)量黑洞(幾百萬倍太陽質(zhì)量以上)和中等質(zhì)量黑洞(介于兩者之間)。黑洞的勢力范圍，稱作黑洞半徑或事件視界(event horizon)。

廣義相對論預(yù)言，由于黑洞的存在，人們將會看到中心區(qū)域存在一個由于黑洞視界而形成的陰影，周圍環(huán)繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環(huán)。黑洞陰影則是人類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。”沈志強說，此次拍照選擇的主角——M87中心的黑洞質(zhì)量巨大，又相對接近地球，是從地球上看過去角直徑最大的黑洞之一，也因此成為黑洞成像的一個完美目標。

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似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域中。“我們預(yù)期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區(qū)域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的，可我們以前從未見過。”EHT科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克(Heino Falcke)解釋，“這個暗影的形成，源于光線的引力彎曲和黑洞視界對光子的捕獲。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的中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森說，這個比方一點不夸張。給黑洞拍照有幾大難點：首先是選擇合適的拍照對象，然后要共同合作組成一個超級大望遠鏡，還必須在合適的觀測波段——毫米波。“觀看電視節(jié)目必須選對頻道，對黑洞成像而言，在合適的波段進行觀測至關(guān)重要。”他告訴記者，這對設(shè)備精度和靈敏度的要求極高，同時需要“天時地利”的配合。去年4月間的全球觀測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”才能實現(xiàn)給黑洞拍照的宏大計劃？這一次的陣容堪稱“地球級別”。全球科學(xué)界將分布在世界各地的8個射電望遠鏡(陣)“組合”起來，形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡，所達到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的。可以說，正是全球科學(xué)界同步的努力，讓人類拍攝到有史以來首張黑洞照片。

路如森告訴記者，創(chuàng)建EHT是一項艱巨的挑戰(zhàn)，需要升級和連接部署8個現(xiàn)有的射電望遠鏡來組成全球網(wǎng)絡(luò)，這些望遠鏡分布在各具挑戰(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)華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。科學(xué)家們在這些觀測臺站晝夜不停地記錄、分析，2017年4月的EHT觀測中每個臺站的數(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)。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？達到的分辨率約20微角秒。“相當(dāng)于在巴黎的一家路邊咖啡館，可以讀到紐約的報紙。”路如森打了這樣一個比方。

雖然這些射電望遠鏡沒有實際連接，但借助氫原子鐘精確計時，各臺望遠鏡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的同步。這些數(shù)據(jù)被存儲在高性能的充氦硬盤上，隨后被空運至馬普射電所和麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺，在那里，被稱作相關(guān)處理機的高度專業(yè)化超級計算機對各個臺站數(shù)據(jù)進行處理。最后，借助合作開發(fā)的新型計算工具，這些數(shù)據(jù)被精心處理并用來生成圖像。

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

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鏡大型國際合作項目的科研人員達200名之多，其中，來自中國大陸的學(xué)者有16人，分別來自上海天文臺8人、云南天文臺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，還有部分來自中國臺灣地區(qū)的學(xué)者。

“在捕獲首張黑洞圖像的過程中，中國科學(xué)家做出了極具國際顯示度的工作。”沈志強自豪地說。他告訴記者，我國科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面工作。在此次EHT合作中，我國科學(xué)家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、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貢獻。此外，在2017年EHT全球聯(lián)合觀測的2017年3—5月期間，上海65米天馬望遠鏡和新疆南山25米射電望遠鏡作為東亞VLBI網(wǎng)成員共同參與了密集的毫米波VLBI協(xié)同觀測，為最終的M87黑洞成像提供了總流量的限制。

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

毫無疑問，這一次“看見”黑洞的突破性工作是全球科學(xué)界合作的典范，離不開數(shù)十年觀測、技術(shù)和理論工作的堅持和積累，更離不開來自世界各地的研究人員的密切合作。作為多年國際合作的結(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。

參與此次觀測的望遠鏡包括 ALMA、APEX、IRAM30米望遠鏡、James Clerk Maxwell望遠鏡、大毫米波望遠鏡(LMT)、亞毫米波陣(SMA)、亞毫米波望遠鏡(SMT)和南極望遠鏡(SPT)。馬普射電所和麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺的專用超級計算機負責(zé)了對原始觀測數(shù)據(jù)的互相關(guān)工作。據(jù)介紹，隨著IRAM NOEMA天文臺、格陵蘭望遠鏡和基特峰望遠鏡的加入，未來EHT的靈敏度將顯著提高。

黑洞就在宇宙中，等著人們?nèi)ヌ骄俊：诙磿绊懳覀兊纳顔幔亢诙春退诘男窍抵g究竟有什么關(guān)系？“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點，我們期望也相信，在不久的將來會有更多令人興奮的結(jié)果。”沈志強對此充滿信心。