给黑洞“拍电影”

    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。

    黑洞成像研究30年前就已开始

    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。

    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？

    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，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倍史瓦西半径（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。

    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。

    在给黑洞拍摄“电影”的研究中抢占科技制高点

    中国科学院上海天文台台长沈志强研究员告诉记者，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。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。

    （《新民周刊》2024年第7期 陈冰）