那些给黑洞“拍电影”的人们

陈冰

这是一个非常特别的摄制组，20多年来一直致力于拍摄人类所能想象的最神秘天体——黑洞。“人类首次拍摄的黑洞距离地球5500万光年，这意味着我们看到的光是5500万年前发出来的。宇宙如此恒久，而人的寿命不过百岁。一生择一事，研究黑洞何其幸运！”他们说。

众所周知，2019年4月，中国科学院上海天文台与全球多地的科学家们一起，发布了由事件视界望远镜（EHT）拍下的人类首张黑洞照片——M87星系中心超大质量黑洞首张照片，这张来自宇宙深处的“甜甜圈”状黑洞照片引起轰动，震惊世界。

2022年5月，上海天文台再次参与全球同步发布由EHT“拍摄”的银河系中心黑洞（Sgr A*）首张照片，为其黑洞的存在提供了直接“视觉”证据，从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论。

2023年4月，由上海天文台领导的国际研究团队换了个“频道”看M87黑洞，首次拍摄到了M87的黑洞“全景照片”，将黑洞阴影、吸积盘和喷流同时展现在一张照片里。在这张全景照片中，不仅有“甜甜圈”，还能看到从“甜甜圈”向远处延展的“尾巴”，即黑洞的喷流。

实际上，自1974年银河系中心黑洞所对应的致密射电源人马座A*（Sgr A*）被首次发现，人们对这个距离我们最近的（约27000光年）超大质量黑洞候选体开展了30多年的成像研究。从1997年开始，全球的科学家们就用新方法不断提高观测精度，从而让无线电波的“视线”一步步逼近黑洞，并最终促成了EHT这一国际合作。

2023年黑洞全景照片的出现，使得天文学家能够更全面地了解黑洞周围的物理过程，也进一步激发了天文学家们继续为黑洞“拍摄”照片、探索宇宙未知的强烈信心。上海天文台研究团队透露，造中国自己的亚毫米波望远镜，拍摄人类首部银河系中心黑洞的“电影”，是他们未来前进的方向。

既然黑洞是“黑”的，连光线都无法逃脱，那我们又该如何看到黑洞呢？

事实上，黑洞并不是孤立存在的，它的周围存在大量气体。由于黑洞的强大引力，气体会绕黑洞旋转，并被黑洞吸进去。而当这些气体被加热到数十亿摄氏度高温时，便会发出强烈的辐射。同时，黑洞也会以喷流和风的形式向外喷射物质和能量。

广义相对论预言，我们将会看到中心区域存在一个由于黑洞事件视界形成的阴影（black hole shadow），周围环绕一个由吸积或喷流的辐射造成的光环——它状如新月，大小约5倍史瓦西半徑（注：史瓦西半径是没有自旋的黑洞的事件视界半径；对于银河系中心黑洞来说其黑洞阴影大小与水星绕太阳轨道相当）。

哪个黑洞最容易被看到？质量越大、距离越近的黑洞，其黑洞阴影从地球看来越大，也就越容易被看到。位于人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A* 和近邻射电星系M87的中心黑洞M87* 是两个目前已知最优的候选体。

在没能一睹黑洞真容的岁月里，科学家通过计算模拟黑洞的“样貌”。90年代后期，科学家们便有了共识，随着望远镜技术的发展，黑洞迟早有一天可以被射电望远镜“看到”。

古人云：“工欲善其事，必先利其器。”要对黑洞成像，依赖于甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术，这一技术可以把分布在全球各地的射电望远镜组合起来，成为一台相当于地球大小的虚拟望远镜。自上世纪60年代后期VLBI技术实现以来，其性能随着技术的进步得到不断提升，波长覆盖也从厘米波段扩展到目前处于国际发展最前沿的（亚）毫米波段。如同观看电视节目必须选对频道一样，对黑洞成像而言，能够在合适的波段进行VLBI观测至关重要。随着新的、高灵敏度亚毫米波台站加入到全球1.3毫米-VLBI阵列，黑洞的成像观测成为可能。

在没能一睹黑洞真容的岁月里，科学家通过计算模拟黑洞的“样貌”。90年代后期，科学家们便有了共识，随着望远镜技术的发展，黑洞迟早有一天可以被射电望远镜“看到”。

为了捕获第一张黑洞图像，由包括中国科学家在内的全球300多名科学家形成了EHT这一重大国际合作计划，并于2017年4月分别对M87星系中心黑洞和银河系中心黑洞拍了照。为了增加探测灵敏度，EHT所记录的数据量非常庞大，每个台站的数据率达到惊人的32Gbit/s，8个台站在5天观测期间共记录约3500TB数据（相当于350万部电影，至少要几百年才能看完）。

EHT采用专用硬盘来记录数据，再把它们送回数据中心进行处理。在那里，研究人员用超级计算机矫正电磁波抵达不同望远镜的时间差，并把所有数据做互相关综合处理，从而达到信号相干的目的。

在此基础之上，通过对这些数据经过近两年时间的后期处理和分析，人类终于在2019年4月捕获了首张黑洞图像——M87星系中心黑洞的首张照片。M87星系中心黑洞的照片处理时间短，所以先和我们见面。而银河系中心黑洞的照片处理起来更复杂，直到三年后的2022年5月才被“冲洗”出来。

中国科学院上海天文台台长沈志强研究员告诉《新民周刊》，自己博士毕业后就开展了对银河系中心黑洞的射电观测，从1997年开始的5年间，一共开展了20多次高分辨率VLBI观测，无线电波的“视线”一步步接近该黑洞。2005年在《自然》杂志上发表了世界上首张3.5毫米波长的银河系中心黑洞Sgr A*的高分辨率图像，该成果入选2005年度中国基础研究十大新闻。

作为EHT国内牵头人，沈志强领导天马望远镜团队，在2017年EHT观测前夕完成对天马望远镜在13毫米和7毫米两个波段的VLBI系统调试以及低频波段的检查，成功组织天马望远镜参加2017年3月至5月的EHT同步多波段VLBI国际联测及后续数据分析等。这是国内射电望远镜在7毫米工作波长首次成功参加国际VLBI联合观测。

然而，黑洞并不是静止的，它每时每刻都在和周围环境相互作用，因此不同时刻看它，它是不一样的。拍摄“动态黑洞”将在空间维度上再解锁时间维度，让人们能够全方位地观测和理解黑洞。

沈志强说：“拍摄一部银河系中心黑洞的‘电影’，是下一代EHT的追求。”

目前EHT的望远镜分布不足以实现“电影”的拍摄，需要更多望远镜的加入。“只有建设我们自己的望远镜，才能掌握更多主动权。”沈志强说，为了参与到对黑洞24小时不间断的接力观测中，上海天文台正为下一代黑洞动态成像，在我国青藏高原推动建设亚毫米波望远镜，以期在下一步给黑洞拍摄“电影”的研究中抢占科技制高点和更多国际学术话语权。

17年前，28岁的路如森还是上海天文台的博士生，怀着对天文的无限热爱开始了自己的学术生涯。

在德国科隆大学和上海天文台获得实验物理和天体物理博士学位后，又长期在德国马普射电天文研究所和美国麻省理工学院从事相关研究。“当时国际上在这个领域已有较多积累，但国内的基础还相对薄弱。”2018年，路如森带着多年研究积累，携全家放弃国外永居，加入上海天文台。他坚信，中国也一定能在这个领域做出引领性成果。

黑洞成像研究一直是上海天文台着力发展的重点方向，尤其在前期3毫米观测发现银河系中心存在超大质量黑洞的新证方面引起了国际同行高度关注。一回国，路如森就憋着一股干劲儿，在这些基础上着力开展国际最前沿的1毫米波段成像研究。凭借长期深入参与EHT等国际合作的经验和优势，他组织起科研团队，聚焦近邻超大质量黑洞与喷流的高分辨率成像研究，推进EHT、东亚（亚）毫米波VLBI等合作，与马普射电天文研究所成立伙伴小组，不仅带动台内形成黑洞天体物理观测与理论研究联合科研团队，还牵头数十名国际同行开展合作，瞄准世界前沿进行攻关。

2023年7月团队主办黑洞图像研讨会。沈志强（前排中）、路如森（前排左二）、赵杉杉（二排左二）、江悟（后排中）。

但研究过程并非一帆风顺，出成果的过程煎熬又磨人。但路如森认为：“科学需要辩论，已有研究的‘天花板’需要打破，更要发出‘中国声音’。”

2023年，他牵头国际团队完成对M87黑洞及其周围环境的成像研究，首次在新波段捕获该黑洞的照片并对黑洞周围的吸积流和喷流一同进行成像，实现给活动星系核的“中央引擎”拍摄“全景照”的突破，结果发表在《自然》杂志，在全球引发广泛关注。美国艺术与科学院院士、北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授，对这张“全景”照给予高度评价：“关于大质量黑洞的存在，首张黑洞照片是一个重大突破。此次的新发现，则是用独立的方法，在不同的频率，提供了一个很好的证据。”

在上海天文台黑洞科研团队中，江悟副研究员长期从事VLBI科学与技术研究。从技术开发“半路出家”改行做天文研究，江悟一边做科学研究，一边兼顾技术上的改进，而这恰好与黑洞研究这一前沿课题比较契合。因为超大质量黑洞本身就是宇宙中具有极端物理环境的天体，为了让它现身，天文学家几乎“无所不用其极”，才终获成功。在江悟看来，“整个研究过程可谓跌宕起伏，更是一个不断追求卓越的过程”。

要从地球上看见黑洞，必须使用在亚毫米波段工作的望远镜。亚毫米波天文观测需要干燥的天气环境和稀薄的大气，因此火山口是一个不错的选择。夏威夷有两座著名的火山，一座仍然活跃，另一座是休眠火山，也因此成为了天文观测圣地。给黑洞拍照的事件视界望远镜就有2台建在这座火山口。

江悟是有幸去现场参加EHT观测的科研人员。“去那里观测除了高原反应引起的气喘和些许头痛外，印象最深的是虽然在半夜观测，大家都热情高涨，工作时一丝不苟，通力合作。”江悟回忆道，“最大的福利莫过于有时还能在凌晨返回基地的途中见到另一个山头的火山口正喷发着火星子，同时见证大自然的神奇和宇宙黑洞的神奇算是都赶上了。”

回到上海，江悟将主要精力都放在数据处理上。如今的天文观测会产生海量的数据，需要复杂的演算才能获得结果。江悟搭建了上海天文台处理机平台，使得以过去百倍的速度获得了图像校准。

2022年5月，EHT发布银河系中心黑洞1.3毫米照片。

尤其是在银河系中心黑洞Sgr A*的成像过程中，尽管这个黑洞比M87黑洞要离地球更近，但由于需要隔着银盘上的各种气体和尘埃去观测，银河系中心黑洞又“善变”，因此给它拍照，就像是“隔着水雾缭绕的玻璃去拍玻璃后面一只爱动的小猫”，难度大大增加。这就需要通过各种算法校准，补偿各台望远镜在观测中产生的误差值。上海天文台处理机平台成为EHT项目中最强大的计算平台之一，也领到了一轮接一轮的成图处理和算法迭代优化任务，为黑洞最终成片出力甚多。

90后的助理研究员赵杉杉是上海天文台黑洞科研团队中的最年轻的一位。然而，从2017年开始，她就参与了M87黑洞照片和银河系中心黑洞照片的合作研究过程，其中对观测数据的理论解释是她最为擅长的环节：“对于公众来说，可能看到黑洞照片就足够了，但对于科研人员来说，我们更关心的是黑洞照片背后的物理意义。”

赵杉杉参与的理论工作组利用计算机数值模拟生成了一个庞大的模型图像库，并且不断进行扩充。2019年时，模型图像库含6万张图像，到2022年时则扩充到180万张图像。理论工作组将模型图像库与观测数据进行比较，筛选出二者符合良好的模型，这将帮助科学家们更好地解释黑洞，甚至能从黑洞的各种性质中建立新的天文学和物理学理论。

除了科研，赵杉杉还积极投身科普。“我们的成果不仅仅是科学家的成果，更是全人类的成果。我希望通过我的介绍，让公眾感受到‘看见’黑洞于人类而言是一件非常伟大的事。”赵杉杉说，“理论上关于黑洞的解释堪称完美，但黑洞的真实环境远超想象，黑洞其实也和人一样，正在经历着许多事情。探索未知是人类的天性。我们作为专业的探索黑洞未知的‘先遣队’，将最新的成果带给大众是我们的责任和义务，同时这也是一种分享的快乐。”

EHT观测使用了甚长基线干涉测量（VLBI）技术，观测波段是1.3毫米。世界各地的射电望远镜同步观测，同时利用地球自转，形成一个口径如地球大小的虚拟望远镜，达到的分辨率约20微角秒，足以在巴黎的一家路边咖啡馆阅读纽约的报纸。

EHT为科学家们提供了研究宇宙中最极端天体的新方法。2017年4月由全球6地的8个观测台站组成的EHT观测网对银河系中心超大质量黑洞Sgr A*和M87星系中心超大质量黑洞开展了首次观测。

EHT的建设和黑洞照片的最终捕获源于世界各地科研人员数十年始终以明确的科学目标为牵引，最大限度地汇集全球智慧，坚持不懈地将理论研究与观测和技术创新相结合，堪称是基础研究领域全球团队合作的一个典范。

2020年基础物理学突破奖颁给了参与EHT合作的347位研究人员，参与此次国际合作项目的我国大陆学者共有16人，其中有8位来自上海天文台。

参加2017年EHT首次黑洞成像观测的望远镜。