给黑洞“拍电影”的人

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！”给黑洞“拍电影”的人说。

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多年的成像研究。从1997年开始，全球的科学家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。

从拍照到拍“电影”的巨大跨越

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？

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”。20世纪90年代后期，科学家便有了共识，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”。

要对黑洞成像，依赖于甚长基线干涉测量技术（VLBI），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。

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。为增加探测灵敏度，EHT所记录的数据量非常庞大，八个台站在五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）。

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“沖洗”出来。

中国科学院上海天文台台长沈志强说，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年开始的五年间，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。

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。”

在黑洞成像领域发出“中国声音”

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，路如森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，路如森携家人回到国内，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。

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一毫米波段成像研究。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，路如森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。

“探索未知是人类的天性”

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，也因此成为天文观测圣地。给黑洞拍照的事件视界望远镜就有两台建在这座火山口。

江悟是有幸去现场参加EHT观测的科研人员之一。他回忆说：“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。”

回到上海，江悟将主要精力都放在数据处理上。他组织搭建了上海天文台处理机平台，使其以过去百倍的速度获得了图像校准。

90后的助理研究员赵杉杉是上海天文台黑洞科研团队中最年轻的一位。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。

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，模型图像库含六万张图像，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，让公众感受到‘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，这种分享也给我们带来快乐。”

（摘自《工人日报》）