为黑洞留影更望向深邃宇宙

本文转自：解放日报

对上海天文台黑洞成像研究团队而言，20多年的追寻是“一生择一事”

为黑洞留影更望向深邃宇宙

黄海华

2019年4月10日，人类历史上首张黑洞照片在上海天文台发布。本报记者 海沙尔 摄（资料照片） 本报记者 黄海华

人类首张黑洞照片，对于中国科学院上海天文台黑洞成像研究团队而言，是观测和数据分析，是探寻背后的物理意义。

厚积而薄发。上海天文台致力于超大质量黑洞的高分辨率观测研究，已有20多年。

黑洞成像研究，有“中国声音”，亦有“上海贡献”。

建设我们自己的望远镜

1963年类星体被发现时，科学家无法解释其背后的物理学。当时有一种假说，认为类星体是由黑洞吸积而成。于是，对黑洞的观测开始提上日程，人类居住的银河系自然成为首选。1974年2月，银河系中心黑洞对应的射电源被发现。

现已任上海天文台台长的沈志强研究员博士毕业后就开展了对银河系中心黑洞的射电观测，从1997年开始的5年间，开展了20多次高分辨率VLBI（甚长基线干涉测量）观测，无线电波的“视线”一步步接近该黑洞。

此后经过近20个月的特意等待，他们迎来了一次关键的观测，发表了世界首张3.5毫米波长的银河系中心黑洞高分辨率图像。这一研究获评2005年度中国基础研究十大新闻。

2019年4月10日，首张黑洞照片诞生，“事件视界望远镜”合作组织宣布获得了超大质量黑洞的第一个直接视觉证据。

拍摄首张黑洞照片时，事件视界望远镜是由分布在全球六地的8个地面射电望远镜组成的观测阵列。然而，这些望远镜大都分布在西半球。

“只有建设我们自己的望远镜，才能掌握更多主动权。”沈志强说，为了参与到对黑洞24小时不间断的接力观测中，上海天文台正为下一代黑洞动态成像，在我国青藏高原推动建设亚毫米波望远镜，以期用“大设备”产出“大成果”。

发出“中国声音”

17年前，在与导师沈志强的合影中，28岁的路如森还是上海天文台的博士生，脸上还有稍许少年气。这里是他学术生涯的起点。

6年前，“事件视界望远镜”合作组织在荷兰的会议照中，39岁的路如森看上去成熟稳重了许多。“合影时，我特意紧靠在创意海报旁，尽管上面并不是真实的黑洞照片，但在我看来很有纪念意义。”

黑洞照片究竟是怎么“冲洗”出来的？“黑洞本身不发光，但周围气体会发光。只需在频域中把黑洞图像对应的不同成分测量出来，就可以重建还原图像了。”路如森说。

2018年，长期在德国马普射电天文研究所和美国麻省理工学院从事VLBI成像研究的路如森，加入上海天文台。2023年4月，由路如森作为首席科学家领衔的国际团队则首次“拍摄”了M87黑洞和喷流的“全景”照。在这张照片中，不仅“甜甜圈”大了近一半，还可以看到喷流如何从黑洞中喷薄而出。这一研究成果发表在国际学术期刊《自然》上，在全球引发广泛关注。

美国艺术与科学院院士、北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授，对这张“全景”照给予高度评价：“关于大质量黑洞的存在，首张黑洞照片是一个重大突破。此次的新发现，则是用独立的方法，在不同的频率，提供了一个很好的证据。”

我们自家的黑洞照片

上海天文台助理研究员赵杉杉是一名“90后”，加入“事件视界望远镜”合作组织已有7年之久。

她所在的理论工作组利用计算机数值模拟生成了一个庞大的模型图像库，2019年时图像有6万张，到2022年时已扩充到180万张。赵杉杉说，之所以需要如此庞大的图像库，是因为黑洞周围的环境非常复杂，导致很多物理参数都是不确定的，每个物理参数变动一点，生成的模型图像都可能大不一样。一次数值模拟需要在超级计算机上计算几周到几个月，如果变动参数就要重新计算。从这个角度而言，黑洞图像的理论解释是非常“昂贵”的工作。

“我原来只会写代码、推公式，现在接触了观测和技术，更没想过还能参与建设望远镜，算是一名‘多边形战士’了。”日前，赵杉杉跟随团队去西藏寻找合适的望远镜站址，“一开始说上两句话就要吸氧，但过几天就能跑了。”

“银心黑洞的照片，与人类首张黑洞照片最大的不同，它是我们自家的照片。”B站视频中，赵杉杉浅浅地微笑着，娓娓道来。为让公众更了解黑洞，赵杉杉与“魔都科学目录”合作发布8个科普视频，累积播放量32.7万次。

要从地球上看见黑洞，必须使用在亚毫米波段工作的望远镜。由于亚毫米波穿过大气层时会被大气中的水分子吸收，需要在干燥的地区建设望远镜。夏威夷的一座休眠火山，也因此成为天文观测胜地。

“在海拔4000米高山上，就连呼吸都困难。”上海天文台副研究员江悟说，“最大的福利是凌晨返回基地看见活火山正在喷发，算是同时见证了大自然和黑洞的神奇。”

尽管银河系中心黑洞离我们更近，为其“拍照”却艰难得多。它比M87中心黑洞小1500多倍，周围的气体几分钟即可绕黑洞转一周，亮度和图案也在时刻快速变化着。有科学家比喻，这就像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍照。让江悟意想不到的是，自己在上海天文台搭建的超算平台派上了用场。相比用个人电脑计算成图，这一超算平台能以快百倍的速度获得图像，成为其他团队羡慕的“最强装备”。

研究黑洞是我的幸运

浩瀚宇宙可观测的天体很多，为何对黑洞情有独钟？

“科研的魅力在于未知。双黑洞是另一种引力波的波源，如果未来能探测到，将是一件激动人心的事情。”沈志强说。

“给黑洞‘拍照’，不仅天文学家感兴趣，其实整个基础物理学界都非常感兴趣。”赵杉杉说，理论上关于黑洞的解释堪称完美，但黑洞的真实环境远超她想象，“黑洞其实也和人一样，正在经历着许多事情。探索未知是人类天性，我只是人类的一个代表，这份工作带给了我价值感。”

“人类首次拍摄的黑洞距离地球5500万光年，这意味着我们看到的光是5500万年前发出来的。宇宙如此恒久，而人的寿命不过百岁。一生择一事，研究黑洞是我的幸运！”沈志强说。

探赜索隐，钩深致远。这些给黑洞“拍照”的人，还在路上。