新民晚報記者 董純蕾 見習(xí)記者 郜陽
人類首張黑洞照片。圖片來源：事件視界望遠(yuǎn)鏡國際合作組織
何其幸運，從此刻起，我們成為史上第一代“看見”黑洞的人！
它和你想象的一樣嗎？是像一面燃燒的火墻、張開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間2019年4月10日21時07分宣告結(jié)束。這一刻，在中國上海和臺北、在比利時布魯塞爾、在智利圣地亞哥、在日本東京、在美國華盛頓，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際合作組織的科學(xué)家們用漢語、西班牙語、日語和英語同時發(fā)布了世界上首張黑洞照片，這是超大黑洞的第一個直接視覺證據(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5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍，是從地球上望去最大的黑洞之一。
“愛因斯坦是對的?！敝袊茖W(xué)院上海天文臺臺長、研究員沈志強在發(fā)布會上肯定地說。在理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體，它具有超強的引力，使得宇宙中最快的光也無法逃脫它的勢力范圍。廣義相對論的提出，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)，更多的問號也接踵而來。
黑洞假想圖。圖片來源：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，人類才開始利用天文手段開展觀測（在此之前，科學(xué)家對黑洞的認(rèn)識停留在“說說而已”的階段），其后的近50年里，人們一步步逼近黑洞。在這張照片問世前，科學(xué)家們通過各種間接證據(jù)來表明黑洞的存在?！班従印焙阈?、氣體的運動暴露了黑洞的蹤跡，根據(jù)黑洞“進(jìn)食”發(fā)出的光來判斷它的存在，抑或是通過“圍觀”黑洞的成長過程來“看見”黑洞……然而，在這個無圖無真相的時代，沒有什么比一張照片更有說服力了。
沈志強說，“從某種意義而言，黑洞其實是一個很簡單的天體”。他的意思是，黑洞其實只有質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)和電荷三個要素。2015年9月，人類第一次聽到了兩個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)鏡項目（EHT）頻繁組織會議，同時也為聯(lián)合觀測做著包括優(yōu)化數(shù)據(jù)記錄、提高觀測靈敏度在內(nèi)的技術(shù)儲備。“事件視界”的名字，來源于黑洞的一個專業(yè)名詞：黑洞一旦形成，就會在其勢力范圍周圍形成一個界面，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，來自全球30多個研究所的200余名科學(xué)家們開展了一項偉大的觀測計劃——利用分布于全球不同地區(qū)的8個射電望遠(yuǎn)鏡（陣）組成一個虛擬望遠(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?！鄙蛑緩娊榻B。這是一個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紙。
“八兄弟”此次觀測目標(biāo)有兩個，一是銀河系中心黑洞人馬座A* ，另一個位于星系M87中的黑洞，兩者都是公認(rèn)的黑洞研究的最佳對象。值得一提的是，人馬座A*是沈志強的“老朋友”了。早在2005年，沈志強領(lǐng)銜的國際天文小組，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。
位于美國夏威夷的SMA（陣） 來源：SMA官網(wǎng)
觀測黑洞，對地理環(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)的天文臺址。然而，在空氣稀薄的高海拔區(qū)域，對設(shè)備、技術(shù)和人，都是考驗。“要對黑洞成像，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_研究員路如森表示，“滿足這些條件，最好的工具莫過于成功應(yīng)用于我國嫦娥探月工程探測器測定位的甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)?！?路如森和沈志強告訴記者，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，偶爾飆出個高血壓也很平常，把重重的磁盤陣列放入設(shè)備中還是個力氣活，更別提遠(yuǎn)在地球最南端的南極點了，僅僅是觀測數(shù)據(jù)的取回就花了小半年。
創(chuàng)建EHT是一項艱巨的挑戰(zhàn)，需要升級和連接部署八個現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡（陣）來組成全球網(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。包括8名上海天文臺科研人員在內(nèi)的16位中國大陸科學(xué)家參與了位于夏威夷莫納克亞山上的15米望遠(yuǎn)鏡（JCMT）的觀測運行，其中一位今天也將出席在美國華盛頓的聯(lián)合發(fā)布會。
墨西哥的LMT。來源：LMT官網(wǎng)
“雖然中國沒有大科學(xué)設(shè)備參與觀測，但我們在觀測層面做出了具有國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成功，中科院上海天文臺從上世紀(jì)70年代起便開始且始終對推動國內(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發(fā)布現(xiàn)場之一的原因?！鄙蛑緩姷脑捳Z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，為最終的M87黑洞成像提供了總流量的限制。
在2017年4月的觀測前，科學(xué)家們已經(jīng)利用毫米望遠(yuǎn)鏡對M87星系的黑洞和人馬座A*開展了持續(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)家們在此次觀測時增加了位于智利和南極的望遠(yuǎn)鏡（陣），這也對觀測窗口的天氣提出了更苛刻的要求。“特別幸運的是，觀測期間，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?！鄙蛑緩姼嬖V記者。
為黑洞拍照已是一項復(fù)雜工程，“沖洗”照片更是讓人們等了足足兩年。對此沈志強解釋，科學(xué)家們用了大量時間比較分析，希望得到無可置疑的圖像。“希望將來大家能記住今天的這一時刻。”
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，讓時空彎曲，并將周圍的氣體吸進(jìn)來。在此過程中，氣體的引力能轉(zhuǎn)化成熱能，因此氣體的溫度變得很高，會發(fā)出強烈的輻射，很是明亮?！叭绱艘粊?，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?！盓HT 科學(xué)委員會主席、來自荷蘭拉德堡德大學(xué)的海諾·法爾克解釋?！斑@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?！?/p>
2005年，沈志強領(lǐng)銜的國際研究組用散布于美國大陸的10面25米射電望遠(yuǎn)鏡組成的甚長基線干涉陣獲得了世界上第一張3.5毫米波長的人馬座A* 圖片。這一次，“八兄弟”的工作波段為1.3毫米?！霸诂F(xiàn)實生活中，2.2毫米幾乎微不足道?？稍谔煳挠^測中，這是一個跨越式的提升，足以讓我們看清黑洞的陰影?！鄙蛑緩姳硎?。
取得首張黑洞照片，對于科學(xué)家們而言更是一種激勵。如今，他們已經(jīng)緊鑼密鼓開始了可以工作在375GHz頻率、0.8毫米波長的射電望遠(yuǎn)鏡的測試工作?！皩87中心黑洞的順利成像絕不是 EHT 國際合作的終點站，”上海天文臺臺長沈志強研究員說?！半S著法國阿爾卑斯山IRAMNOEMA天文臺、格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和美國基特峰望遠(yuǎn)鏡的加入，未來EHT的靈敏度將顯著提高。我們期望觀測更多黑洞，更多天體，也相信在不久的將來EHT會有更多令人興奮的結(jié)果。”
編輯：唐夢葭
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