萬眾矚目！人類歷史上第一張黑洞照片來了！

新民晚報記者 董純蕾 見習記者 郜陽

人類首張黑洞照片。圖片來源：事件視界望遠鏡國際合作組織

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？是像一面燃燒的火牆、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

一切的猜想在台灣時間2019年4月10日21時07分宣告結束。這一刻，在中國上海和台北、在比利時布魯塞爾、在智利聖地亞哥、在日本東京、在美國華盛頓，事件視界望遠鏡（EHT）國際合作組織的科學家們用漢語、西班牙語、日語和英語同時發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。這張備受全球矚目的“照片”揭示了室女座星系團中超大質量星系 Messier87中心的黑洞。該黑洞距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍，是從地球上望去最大的黑洞之一。

“愛因斯坦是對的。”中國科學院上海天文台台長、研究員沈志強在發布會上肯定地說。在理論上，黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體，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範圍。廣義相對論的提出，距今已經104年了。為什麽要給黑洞拍照？這照片緣何遲遲才能拍到？怎麽給黑洞拍攝和沖洗照片？當曾經的遙不可及首次褪去神秘光環，更多的問號也接踵而來。

黑洞假想圖。圖片來源：NASA

黑洞其實很“簡單”

黑洞理論的歷史，可以追溯到很久以前，但直到上世紀70年代，人類才開始利用天文手段開展觀測（在此之前，科學家對黑洞的認識停留在“說說而已”的階段），其後的近50年裡，人們一步步逼近黑洞。在這張照片問世前，科學家們通過各種間接證據來表明黑洞的存在。“鄰居”恆星、氣體的運動暴露了黑洞的蹤跡，根據黑洞“進食”發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，沒有什麽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，黑洞其實只有質量、旋轉和電荷三個要素。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。之後，科學家們更是加快腳步，為一探黑洞的“廬山真面目”而努力。2016年起，事件視界望遠鏡項目（EHT）頻繁組織會議，同時也為聯合觀測做著包括優化數據記錄、提高觀測靈敏度在內的技術儲備。“事件視界”的名字，來源於黑洞的一個專業名詞：黑洞一旦形成，就會在其勢力範圍周圍形成一個界面，被稱作“事件視界”。

“拍照”和“沖洗”著實不簡單

正式給黑洞“拍照”，始於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餘名科學家們開展了一項偉大的觀測計劃——利用分布於全球不同地區的8個射電望遠鏡（陣）組成一個虛擬望遠鏡網絡，也被稱為“事件視界望遠鏡”。“世界上該領域的幾乎所有科研人員，都不同程度地參與其中了。”沈志強介紹。這是一個總口徑等效於地球直徑的虛擬巨型望遠鏡，其分辨本領比著名的哈勃空間望遠鏡還要高出1000倍，達到的分辨率約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”此次觀測目標有兩個，一是銀河系中心黑洞人馬座A* ，另一個位於星系M87中的黑洞，兩者都是公認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域內，將黑洞的搜索範圍縮小了至少一半。

位於美國夏威夷的SMA（陣） 來源：SMA官網

觀測黑洞，對地理環境有著近乎苛刻的要求，海拔低的地方並不合適，這也直接否決了絕大多數的天文台址。然而，在空氣稀薄的高海拔區域，對設備、技術和人，都是考驗。“要對黑洞成像，望遠鏡得足夠靈敏，能分辨的細節足夠細小，從而保證看得到以及看得清。”中科院上海天文台研究員路如森表示，“滿足這些條件，最好的工具莫過於成功應用於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。” 路如森和沈志強告訴記者，這些高精尖的望遠鏡裡的工作環境可不友好，通宵作戰是必需的，偶爾飆出個高血壓也很平常，把重重的磁盤陣列放入設備中還是個力氣活，更別提遠在地球最南端的南極點了，僅僅是觀測數據的取回就花了小半年。

創建EHT是一項艱巨的挑戰，需要升級和連接部署八個現有的射電望遠鏡（陣）來組成全球網絡，而這些望遠鏡分布在各種具有挑戰性的高海拔地區，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。包括8名上海天文台科研人員在內的16位中國大陸科學家參與了位於夏威夷莫納克亞山上的15米望遠鏡（JCMT）的觀測運行，其中一位今天也將出席在美國華盛頓的聯合發布會。

“雖然中國沒有大科學設備參與觀測，但我們在觀測層面做出了具有國際顯示度的積極貢獻。從EHT的雛形起，我們就一直參與其中。VLBI技術1967年在世界上首次試驗成功，中科院上海天文台從上世紀70年代起便開始且始終對推動國內VLBI技術的發展發揮了主導作用。這也是為什麽選擇上海作為六個發布現場之一的原因。”沈志強的話語中流露著自豪。

墨西哥的LMT。來源：LMT官網

還值得一提的是，雖然上海的天馬望遠鏡的最高工作頻率是43GHz，不在“事件視界望遠鏡”之列，但在2017年EHT全球聯合觀測的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網成員共同參與了密集的毫米波VLBI協同觀測，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，科學家們已經利用毫米望遠鏡對M87星系的黑洞和人馬座A*開展了持續多年的“追蹤”，並取得了可喜的成果。為了增加空間分辨率，科學家們在此次觀測時增加了位於智利和南極的望遠鏡（陣），這也對觀測窗口的氣象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面射電望遠鏡（陣）所在地的氣象都出奇的好。”沈志強告訴記者。

為黑洞拍照已是一項複雜工程，“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。”

神秘天體的神秘“陰影”

黑洞自身並不發光，那麽，給黑洞“拍照”究竟是拍什麽呢？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。據介紹，黑洞以極端方式影響著周圍的環境，讓時空彎曲，並將周圍的氣體吸進來。在此過程中，氣體的引力能轉化成熱能，因此氣體的溫度變得很高，會發出強烈的異塵餘生，很是明亮。“如此一來，黑洞就像沉浸在一片類似發光氣體的明亮區域內，我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域。這正是愛因斯坦廣義相對論所預言的，可我們以前從未見過。”EHT 科學委員會主席、來自荷蘭拉德堡德大學的海諾·法爾克解釋。“這個暗影的形成，源於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，也使得我們能夠測量M87中心黑洞的巨大質量。”

2005年，沈志強領銜的國際研究組用散布於美國大陸的10面25米射電望遠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。“在現實生活中，2.2毫米幾乎微不足道。可在天文觀測中，這是一個跨越式的提升，足以讓我們看清黑洞的陰影。”沈志強表示。

取得首張黑洞照片，對於科學家們而言更是一種激勵。如今，他們已經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鏡的測試工作。“對M87中心黑洞的順利成像絕不是 EHT 國際合作的終點站，”上海天文台台長沈志強研究員說。“隨著法國阿爾卑斯山IRAMNOEMA天文台、格陵蘭望遠鏡和美國基特峰望遠鏡的加入，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果。”

編輯：唐夢葭