“當(dāng)你凝視著深淵時(shí)，深淵也在凝視著你?！比魧⒛岵蛇@句名言嫁接到天文學(xué)上，當(dāng)科學(xué)家凝視黑洞時(shí)，卻連一絲光也看不到……

　　然而，科學(xué)家卻以恢弘的想象力、超凡的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰腕@人的毅力，組建起了直徑相當(dāng)于地球的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）。經(jīng)過兩年多不懈努力，終于獲得了黑洞在明亮吸積現(xiàn)象和“宇宙火柱”噴流現(xiàn)象襯托下的首張“剪影”——如同一團(tuán)溫暖的燭光，溫柔映襯出沉寂黑洞的陰影。

　　自愛因斯坦1916年提出黑洞理論預(yù)言以來，人類終于第一次得到了黑洞存在的鐵證！

　　全球聯(lián)手，拼接黑洞“剪影” 

　　由于強(qiáng)引力的存在，黑洞里連光都無法逃逸。因此，從理論上來說，人類根本不可能給黑洞主體拍照。不過，根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言，黑洞邊緣存在著一種名為“黑洞視界”的交界帶。在這個(gè)交界地帶，周圍氣體會(huì)在黑洞強(qiáng)大引力下落入其中，并發(fā)出強(qiáng)烈輻射，產(chǎn)生明亮的吸積現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)噴發(fā)出強(qiáng)烈的物質(zhì)和能量外流，呈現(xiàn)壯觀的“宇宙火柱”噴流現(xiàn)象。由此，人類可通過對(duì)它的精細(xì)描繪勾勒出黑洞輪廓。

　　然而，要獲得這樣一幅黑洞“剪影”，難度超乎想象。黑洞研究專家、中國科學(xué)院上海天文臺(tái)副臺(tái)長袁峰介紹，直接觀測黑洞需要極高分辨率的望遠(yuǎn)鏡：如果是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，則要為它配備一塊直徑達(dá)幾公里的玻璃鏡片；如果是紅外望遠(yuǎn)鏡，它的口徑更要達(dá)到幾十甚至上百公里；若是毫米波望遠(yuǎn)鏡，其口徑將相當(dāng)于地球直徑。

　　目前，人類技術(shù)磨不出幾公里口徑的玻璃鏡片，但依靠甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)，只要將在地球不同地區(qū)的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)成網(wǎng)，就相當(dāng)于組成了一座與地球直徑相當(dāng)?shù)某笸h(yuǎn)鏡。

　　創(chuàng)建EHT是一項(xiàng)非常艱巨的工作，需要升級(jí)和連接部署八個(gè)現(xiàn)有的射電望遠(yuǎn)鏡來組成全球網(wǎng)絡(luò)，而這些望遠(yuǎn)鏡分布在全球的高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、美國亞利桑那州山脈、西班牙內(nèi)華達(dá)山脈、智利阿塔卡馬沙漠，以及南極點(diǎn)。

　　2017年4月，科學(xué)家將八臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組成了巨大的EHT?！巴ㄟ^這些望遠(yuǎn)鏡，我們可以接收到來自黑洞的輻射，如同拼圖一般將這些微弱信號(hào)累積起來，最終就能獲得一幅黑洞‘剪影’?！痹逭f，哪怕是2016年發(fā)現(xiàn)的引力波，也只是間接證明黑洞的存在，只有得到真實(shí)影像，才是黑洞真實(shí)存在的鐵證！

　　黑洞“模特”：人馬座A*星和M87 

　　經(jīng)過兩年多數(shù)據(jù)處理，科學(xué)家們終于在北京時(shí)間4月10日21時(shí)，向全球揭開首張黑洞“剪影”。

　　這次公布的黑洞照片，拍攝的是銀河系外的巨型橢圓星系M87中心黑洞。中國科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)解釋說，M87中心黑洞是目前已知的最大黑洞之一，距離地球5500萬光年，相當(dāng)于65億個(gè)太陽質(zhì)量。實(shí)際上，超大質(zhì)量黑洞是相當(dāng)小的天體，以至于幾乎不能被直接看到。由于黑洞質(zhì)量越大，黑洞陰影越大，M87中心黑洞從地球看過去是角直徑最大的黑洞之一，因此成為EHT試圖捕獲的一個(gè)完美目標(biāo)。

　　其實(shí)，每個(gè)星系中心都會(huì)有一個(gè)黑洞，這次科學(xué)家一共觀測了六個(gè)黑洞，人馬座A*星中心黑洞（即“銀心黑洞”）也是主要觀測對(duì)象之一。沈志強(qiáng)告訴記者，銀心黑洞距離地球僅約兩萬五千光年，其質(zhì)量約為太陽的430萬倍，是離地球距離最近的超大質(zhì)量黑洞。

　　早在2005年，沈志強(qiáng)領(lǐng)銜的國際天文研究小組就在3.5毫米觀測波長的精度下，獲得了銀心黑洞圖像，研究結(jié)果發(fā)表于《自然》雜志。2018年，科學(xué)家獲得銀心黑洞1.3毫米波長精度的圖像，由于參與的望遠(yuǎn)鏡較少，其分辨率不如這次發(fā)布的圖像高。

　　觀測精度已經(jīng)提升了不止十倍 

　　“這次，EHT在1.3毫米波觀測到了黑洞迄今為止最清晰的圖像。”參與EHT項(xiàng)目的中國科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森告訴記者，EHT的分辨率達(dá)到了20微角秒，這個(gè)精度意味著，你可以在紐約閱讀一份巴黎街頭攤開的報(bào)紙。

　　達(dá)到這個(gè)精度需要克服難以想象的困難。自上世紀(jì)六十年代，天文學(xué)家逐漸意識(shí)到黑洞可以被觀測，就開始了幾十年堅(jiān)持不懈的努力?！皬拈_始到現(xiàn)在，觀測精度已經(jīng)提升了不止十倍。”沈志強(qiáng)介紹，為了突破觀測極限，科學(xué)家把望遠(yuǎn)鏡造在海拔幾千米的高山上，但觀測精度又要求望遠(yuǎn)鏡的反射面偏差不能超過60微米，克服溫差和材料形變都是必須攻克的難關(guān)。而且，數(shù)據(jù)必須記錄在充氦磁盤上；無法聯(lián)網(wǎng)的八臺(tái)望遠(yuǎn)鏡必須用氫鐘保持同步……

　　路如森曾在夏威夷麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡（JCMT）工作過，他對(duì)堅(jiān)守的日子記憶猶新：稀薄的空氣令人感到呼吸困難，24小時(shí)值守只分兩班，每天還必須將沉重的磁盤扛上機(jī)器，不出差錯(cuò)地安裝上去?！斑@的確是段艱苦的日子，但終于實(shí)現(xiàn)了我們的夢想！”

　　“現(xiàn)在才算初步看清了黑洞的樣子。”沈志強(qiáng)說，接收到信息后，科學(xué)家還需對(duì)海量的信息進(jìn)行處理，“比如南極的數(shù)據(jù)四月收了之后，直到九十月份才能取到?！笨茖W(xué)家將大量時(shí)間用在比對(duì)、確認(rèn)上，確保發(fā)布的圖像準(zhǔn)確無誤。

　　在這場漫漫探索中，我國科學(xué)家作出了重要貢獻(xiàn)。不少科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究。在2017年EHT全球聯(lián)合觀測期間，上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡和新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡，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。

　　“接下來，我們準(zhǔn)備將觀測波段提升到0.8毫米、345G赫茲?！鄙蛑緩?qiáng)說，未來隨著格陵蘭望遠(yuǎn)鏡、基特峰望遠(yuǎn)鏡等的加入，EHT的靈敏度將顯著提高，“我們將把黑洞看得更加清晰?！?/p>

　　給黑洞拍張照到底有多難？ 

　　細(xì)節(jié)太小、信號(hào)太暗、干擾太多 

　　經(jīng)過10多年準(zhǔn)備，四大洲8個(gè)觀測點(diǎn)組成虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)——一個(gè)如同地球直徑大小的事件視界望遠(yuǎn)鏡，在集齊所有觀測數(shù)據(jù)并深度分析后，讓黑洞終于擁有了一張“正面照”。給黑洞拍照的難點(diǎn)，在參與此次大科學(xué)計(jì)劃的專家眼中，可以用三個(gè)字來形容：“小”“暗”“擾”——細(xì)節(jié)太小，信號(hào)太暗，干擾太多。

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

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

　　這是一個(gè)難以想象的大科學(xué)計(jì)劃：用分布全球的8個(gè)觀測點(diǎn)，組成一個(gè)口徑如地球直徑大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡。條件苛刻的觀測點(diǎn)，包括夏威夷和墨西哥的火山、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠、南極點(diǎn)等。

　　要順利拍照，不僅要“看”得遠(yuǎn)，還要選對(duì)頻道。“對(duì)黑洞成像而言，最佳的波段進(jìn)行觀測至關(guān)重要，這個(gè)波段就在1毫米附近?！鄙虾Ｌ煳呐_(tái)研究員路如森說。

　　不同的望遠(yuǎn)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(nèi)的一些大型望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡記錄下的海量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行復(fù)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(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)率達(dá)到驚人的32GB/秒，8個(gè)臺(tái)站在5天觀測期間共記錄約3500TB的數(shù)據(jù)。專家表示，如果是像看電影一樣不間斷地看，這些數(shù)據(jù)至少需要500多年才能看完。

　　該國際合作項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈佛大學(xué)教授謝潑德·多爾曼表示，10多年來，正是技術(shù)的突破、新望遠(yuǎn)鏡的建成，最終使人類能夠“看到”黑洞。（新華社電） 

　　跨越5500萬光年的曝光！人類終睹黑洞真容 

　　中國參與全球顛覆性觀測拍下首張黑洞照片，愛因斯坦百年猜想應(yīng)驗(yàn) 

　　愛因斯坦的廣義相對(duì)論再次被證明是對(duì)的！北京時(shí)間4月10日21時(shí)，由全球13個(gè)合作機(jī)構(gòu)共同創(chuàng)建的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）團(tuán)隊(duì)，在全球六地（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺(tái)北、日本東京，以及美國華盛頓），以英語、西班牙語、漢語和日語四種語言，同時(shí)向全球宣布：經(jīng)過幾十年的探索與積累，天文學(xué)家終于成功獲得了超大黑洞的首個(gè)直接視覺證據(jù)——室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞圖像?！短祗w物理學(xué)雜志通信》昨天以特刊形式，通過六篇論文發(fā)表了這一重大成果。

　　黑洞是一種非常奇特的宇宙天體，它所具有的極強(qiáng)引力可以使其周圍的時(shí)空彎曲，并將周圍的氣體吸入。在此過程中，被吸入氣體的引力能轉(zhuǎn)化為熱能，使其溫度升高并發(fā)出強(qiáng)烈的輻射。這使得黑洞沉浸在一片發(fā)光氣體的明亮區(qū)域中，給了人類“拍攝”黑洞“剪影”的可能。

　　M87黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。它是人類從地球上可以望見的黑洞中，最易觀測到的兩個(gè)之一。為探測遙遠(yuǎn)黑洞傳來的微弱輻射，天文學(xué)家構(gòu)建起了EHT。

　　EHT把分布在西班牙、智利、夏威夷、南極等地的八臺(tái)毫米波射電望遠(yuǎn)鏡“組合”起來，形成一個(gè)口徑如地球大小的虛擬望遠(yuǎn)鏡。憑借EHT具有的空前靈敏度和分辨率，科學(xué)家在1.3毫米觀測波段，捕獲到了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其中心的暗弱區(qū)域，即黑洞陰影。

　　“我們已經(jīng)取得了上一代人認(rèn)為不可能做到的事情?！盓HT項(xiàng)目主任謝潑德·多爾曼說，“技術(shù)的突破、世界上最好的射電天文臺(tái)之間的合作、創(chuàng)新的算法匯聚到一起，打開了一個(gè)關(guān)于黑洞和事件視界的全新窗口?！?/p>

　　“令人驚訝的是，我們所觀測到圖像的許多特征與理論預(yù)言相一致?！盓HT董事會(huì)成員保羅·胡認(rèn)為，這使科學(xué)家對(duì)觀測的理論解釋，包括對(duì)黑洞質(zhì)量的測量，都充滿信心。

　　這是一項(xiàng)由全球200多位科研人員組成的團(tuán)隊(duì)完成的非凡成果，中國大陸有16名科學(xué)家參與，并在觀測技術(shù)與科學(xué)理論研究上作出了重要貢獻(xiàn)。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和上海天文臺(tái)共同建立了中國科學(xué)院天文大科學(xué)中心參與到EHT項(xiàng)目中?！皩?duì)M87中心黑洞的順利成像，絕不是EHT國際合作的終點(diǎn)?！敝袊茖W(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)研究員透露，目前天文學(xué)家已在嘗試開展0.8毫米波段的觀測——分辨率比現(xiàn)在提升2.6倍，人類對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)還將不斷深入。（原載于2019年04月11日文匯報(bào) 記者 金婉霞 許琦敏）