我們終于“看見”黑洞

陳芳 董瑞豐 王琳琳

2019年4月10日，人類終于看見黑洞真容！

這張在全球多地同步公布的“大片”，證實了神秘天體黑洞的存在，也使得愛因斯坦的百年猜想終得檢驗！

經過10多年準備，四大洲8個觀測點組成虛擬望遠鏡網絡——一個如同地球直徑大小的事件視界望遠鏡，在集齊所有觀測數據并深度分析后，讓黑洞終于擁有了一張“正面照”。

為何要給黑洞拍照？獲得這張照片有多難？人類合作探究宇宙還將揭示哪些新的奧秘？新華社記者第一時間采訪了參與國際合作的中外科學家，對此作出解答。

首次“看到”黑洞：愛因斯坦說對了

浩瀚星空中，黑洞是極神秘又惹人遐思的天體。

它，“吞噬”一切，連光也無法逃脫。它，體積小、質量大，可以彎曲周圍的時空。它的“前世今生”帶著重重謎團，讓人好奇無比。

百余年來，人類探尋黑洞奧秘的腳步從未停歇。

從愛因斯坦的廣義相對論率先預言黑洞的存在，到惠勒提出“黑洞”概念，再到霍金提出“黑洞是時空的扭曲者”……科學家們日益相信，宇宙中存在許多大小不一的黑洞，甚至在銀河系的中心就有一個超大黑洞。

多年來，一些間接證據陸續證實黑洞的存在，人類不斷插上科幻翅膀勾畫黑洞容顏。

科幻電影也在不斷“幻想”黑洞影像。在電影《星際穿越》中，黑洞“卡岡圖雅”是那深不見底的黑色中心與明亮立體的氣體圓圈。

就在4年前，兩個黑洞合并產生的引力波信號被科學家“捕捉”到，成為科學界的一個里程碑事件，人類開始“聽”到黑洞。

這一次，人類終于眼見為實。

此次露出真容的黑洞，位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍。它的核心區域存在一個陰影，周圍環繞一個新月狀光環！

“觀測結果與理論預言非常一致，這證實在黑洞這樣的極端條件下，廣義相對論仍然成立。”中國科學院上海天文臺臺長沈志強說，先輩科學家為我們這個世界搭建的理論模型，再次經受住考驗。

上海天文臺研究員路如森難掩興奮：“黑洞的暗影區域和光環，相當于打開一扇窗，未來可以更好地重構黑洞‘吞噬的物理過程，深入了解這個過程中發生的奇異事件。”

拍照難在哪？用難以想象的計劃 尋找“至暗信號”

給黑洞拍照的難點，在參與此次大科學計劃的專家眼中，可以用三個字來形容：“小”“暗”“擾”——細節太小，信號太暗，干擾太多。

黑洞如此遙遠，尋找它如同從地球觀察月球上的一個橘子，需要的望遠鏡口徑超乎想象。況且，這個望遠鏡還要足夠靈敏，才能“看”得清極其微小的細節。

自400多年前伽利略發明望遠鏡以來，人類科技水平的飛速提升讓望遠鏡的口徑越來越大、“分工”越來越細。但要給黑洞拍照，依靠人類現有任何單個天文望遠鏡都遠遠不夠。

這是一個難以想象的大科學計劃：用分布全球的8個觀測點，組成一個口徑如地球直徑大小的虛擬望遠鏡。條件苛刻的觀測點，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點等。

要順利拍照，不僅要“看”得遠，還要選對頻道。“對黑洞成像而言，最佳的波段進行觀測至關重要，這個波段就在1毫米附近，成像的分辨率相當于能在黑龍江漠河閱讀南沙群島上的一張報紙。”路如森說。

不同的望遠鏡各有所長。正是給黑洞拍照的這一特殊要求，讓包括“中國天眼”在內的一些大型望遠鏡“束手旁觀”。

專家解釋，這一波段的黑洞電磁波輻射最明亮，而背景“噪音”的干擾又最小。

拍照難，洗照也不易。望遠鏡記錄下的海量數據，需要進行復雜的后期處理和分析，才能獲取最終的黑洞圖像。

以2017年4月的觀測為例，每個臺站的數據率達到驚人的32GB/秒，8個臺站在5天觀測期間共記錄約3500TB的數據。專家表示，如果是像看電影一樣不間斷地看，這些數據至少需要500多年才能看完。

該國際合作項目負責人、哈佛大學教授謝潑德·多爾曼表示，10多年來，正是技術的突破、新望遠鏡的建成，最終使人類能夠“看到”黑洞。

躋身一流，中國成為國際科學合作重要參與者

從首張月背照片到首張黑洞照片，人類觀測宇宙的新窗口正在不斷打開。在探索宇宙奧秘的征程中，中國也不斷貢獻著智慧。

我國科學家全程參與了給黑洞拍照這項國際合作，在早期推動這一項國際合作、望遠鏡觀測時間申請、夏威夷望遠鏡觀測運行、后期數據處理和理論分析等方面均做出了貢獻。

沈志強說，基礎科學研究的國際合作是大勢所趨，但很多時候不能只靠經費投入“湊份子”，前期研究和人才積累是取得合作“話語權”的重要因素。

從“中國天眼”（FAST）到“世界巨眼”（SKA），從人類基因組測序到泛第三極環境研究，近年來，中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大，在吸收世界創新養分的同時，也不斷貢獻中國智慧。

隨著全球射電天文學方興未艾，接連涌現類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射四大天文發現。近年來，我國陸續建成多座射電望遠鏡，口徑從25米到65米再到500米，從追趕到并跑，天文學研究開始逐步躋身一流。

“過去一二十年間，中國在射電天體物理學、天文學等領域取得了巨大進展，在此次國際合作中做出了不可或缺的貢獻。”荷蘭奈梅亨大學教授海諾·法爾克說，隨著中國的射電干涉測量和太空探索能力迅速增長，中國將成為國際科學合作的重要參與者。

黑洞的順利成像不是終點。

主持歐洲地區發布會的德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯強調，未來還將增加望遠鏡的數量，甚至對新的黑洞進行觀測，繼續驗證廣義相對論的有關預測，借此了解星系的形成和演進，為人類解開更多奧秘……

愛因斯坦說，科學是永無止境的，它是一個永恒之謎。

“在偉大夢想的支持下，人類科學探索的腳步，將永不停歇。”沈志強說。