給黑洞“拍電影”的人

陳冰

這是一個非常特別的攝制組，20多年來一直致力于拍攝人類所能想象的最神秘天體——黑洞。“人類首次拍攝的黑洞距離地球5500萬光年，這意味著我們看到的光是5500萬年前發出來的。宇宙如此恒久，而人的壽命不過百歲。一生擇一事，研究黑洞何其幸運！”給黑洞“拍電影”的人說。

眾所周知，2019年4月，中國科學院上海天文臺與全球多地的科學家一起，發布了由事件視界望遠鏡（EHT）拍下的人類首張黑洞照片——M87星系中心超大質量黑洞首張照片，這張來自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動，震驚世界。

2022年5月，上海天文臺再次參與全球同步發布由EHT拍攝的銀河系中心黑洞（Sgr A*）首張照片，為其黑洞的存在提供了直接視覺證據，從強引力場的角度驗證了愛因斯坦廣義相對論。

2023年4月，由上海天文臺領導的國際研究團隊換了個“頻道”看M87黑洞，首次拍攝到了M87的黑洞“全景照片”，將黑洞陰影、吸積盤和噴流同時展現在一張照片里。在這張全景照片中，不僅有“甜甜圈”，還能看到從“甜甜圈”向遠處延展的“尾巴”，即黑洞的噴流。

實際上，自1974年銀河系中心黑洞所對應的致密射電源人馬座A*（Sgr A*）被首次發現，人們對這個距離我們最近的（約27000光年）超大質量黑洞候選體開展了多年的成像研究。從1997年開始，全球的科學家就用新方法不斷提高觀測精度，從而讓無線電波的“視線”一步步逼近黑洞，并最終促成EHT這一國際合作。

2023年黑洞全景照片的出現，使得天文學家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程，也進一步激發了天文學家繼續為黑洞拍攝照片、探索宇宙未知的強烈信心。上海天文臺研究團隊透露，造中國自己的亞毫米波望遠鏡，拍攝人類首部銀河系中心黑洞的“電影”，是他們未來前進的方向。

從拍照到拍“電影”的巨大跨越

既然黑洞是“黑”的，連光線都無法逃脫，那我們又該如何看到黑洞呢？

在沒能一睹黑洞真容的歲月里，科學家通過計算模擬黑洞的“樣貌”。20世紀90年代后期，科學家便有了共識，隨著望遠鏡技術的發展，黑洞遲早有一天可以被射電望遠鏡“看到”。

要對黑洞成像，依賴于甚長基線干涉測量技術（VLBI），這一技術可以把分布在全球各地的射電望遠鏡組合起來，成為一臺相當于地球大小的虛擬望遠鏡。

為了捕獲第一張黑洞圖像，由包括中國科學家在內的全球300多名科學家形成了EHT這一重大國際合作計劃，并于2017年4月分別對M87星系中心黑洞和銀河系中心黑洞拍了照。為增加探測靈敏度，EHT所記錄的數據量非常龐大，八個臺站在五天觀測期間共記錄約3500TB數據（相當于350萬部電影，至少要幾百年才能看完）。

在此基礎之上，通過對這些數據經過近兩年時間的后期處理和分析，人類終于在2019年4月捕獲了首張黑洞圖像——M87星系中心黑洞的首張照片。M87星系中心黑洞的照片處理時間短，所以先和我們見面。而銀河系中心黑洞的照片處理起來更復雜，直到三年后的2022年5月才被“沖洗”出來。

中國科學院上海天文臺臺長沈志強說，自己博士畢業后就開展了對銀河系中心黑洞的射電觀測，從1997年開始的五年間，一共開展了20多次高分辨率VLBI觀測，無線電波的“視線”一步步接近該黑洞。2005年在《自然》雜志上發表了世界上首張3.5毫米波長的銀河系中心黑洞（Sgr A*）的高分辨率圖像，該成果入選2005年度中國基礎研究十大新聞。

然而，黑洞并不是靜止的，它每時每刻都在和周圍環境相互作用，因此不同時刻看它，它是不一樣的。拍攝“動態黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度，讓人們能夠全方位地觀測和理解黑洞。

沈志強說：“拍攝一部銀河系中心黑洞的‘電影，是下一代EHT的追求。”

在黑洞成像領域發出“中國聲音”

17年前，28歲的路如森還是上海天文臺的博士生，懷著對天文的無限熱愛開始了自己的學術生涯。

在德國科隆大學和上海天文臺獲得實驗物理和天體物理博士學位后，路如森又長期在德國馬普射電天文研究所和美國麻省理工學院從事相關研究。“當時國際上在這個領域已有較多積累，但國內的基礎還相對薄弱”。2018年，路如森攜家人回到國內，加入上海天文臺。他堅信，中國也一定能在這個領域做出引領性成果。

一回國，路如森就憋著一股干勁兒，在這些基礎上著力開展國際最前沿的一毫米波段成像研究。但研究過程并非一帆風順，出成果的過程煎熬又磨人。但路如森認為：“科學需要辯論，已有研究的‘天花板需要打破，更要發出‘中國聲音。”

2023年，路如森牽頭國際團隊完成對M87黑洞及其周圍環境的成像研究，首次在新波段捕獲該黑洞的照片，并對黑洞周圍的吸積流和噴流一同進行成像，實現給活動星系核的“中央引擎”拍攝“全景照”的突破，結果發表在《自然》雜志，在全球引發廣泛關注。

“探索未知是人類的天性”

在上海天文臺黑洞科研團隊中，江悟副研究員長期從事VLBI科學與技術研究。從技術開發“半路出家”改行做天文研究，江悟一邊做科學研究，一邊兼顧技術上的改進，而這恰好與黑洞研究這一前沿課題比較契合。因為超大質量黑洞本身就是宇宙中具有極端物理環境的天體，為了讓它現身，天文學家幾乎“無所不用其極”，才終獲成功。

在江悟看來，“整個研究過程可謂跌宕起伏，更是一個不斷追求卓越的過程”。

要從地球上看見黑洞，必須使用在亞毫米波段工作的望遠鏡。亞毫米波天文觀測需要干燥的天氣環境和稀薄的大氣，因此火山口是一個不錯的選擇。夏威夷有兩座著名的火山，一座仍然活躍，另一座是休眠火山，也因此成為天文觀測圣地。給黑洞拍照的事件視界望遠鏡就有兩臺建在這座火山口。

江悟是有幸去現場參加EHT觀測的科研人員之一。他回憶說：“去那里觀測除了高原反應引起的氣喘和些許頭痛外，印象最深的是雖然在半夜觀測，大家都熱情高漲，工作時一絲不茍，通力合作。”

回到上海，江悟將主要精力都放在數據處理上。他組織搭建了上海天文臺處理機平臺，使其以過去百倍的速度獲得了圖像校準。

90后的助理研究員趙杉杉是上海天文臺黑洞科研團隊中最年輕的一位。然而，從2017年開始，她就參與了M87黑洞照片和銀河系中心黑洞照片的合作研究過程。

趙杉杉參與的理論工作組利用計算機數值模擬生成了一個龐大的模型圖像庫，并且不斷進行擴充。2019年時，模型圖像庫含六萬張圖像，到2022年時則擴充到180萬張圖像。理論工作組將模型圖像庫與觀測數據進行比較，篩選出二者符合良好的模型，這將幫助科學家更好地解釋黑洞，甚至能從黑洞的各種性質中建立新的天文學和物理學理論。

除了科研，趙杉杉還積極投身科普。“我們的成果不僅僅是科學家的成果，更是全人類的成果。我希望通過我的介紹，讓公眾感受到‘看見黑洞于人類而言是一件非常偉大的事。”趙杉杉說，“理論上關于黑洞的解釋堪稱完美，但黑洞的真實環境遠超想象，黑洞其實也和人一樣，正在經歷著許多事情。探索未知是人類的天性。我們作為專業的探索黑洞未知的‘先遣隊，將最新的成果帶給大眾是我們的責任和義務，這種分享也給我們帶來快樂。”

（摘自《工人日報》）