天文學(xué)家捕獲的首張黑洞照片。（事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織供圖）
上帝說，要有光，于是就有了光。
有一個地方可能除外。黑洞具有非常強(qiáng)大的引力場，使得光都無法逃脫它的勢力范圍。這個勢力范圍，就叫做事件視界。
這也讓黑洞成為了宇宙中最為神秘的天體之一。2015年電影《星際穿越》中對黑洞形象的描畫，更是令無數(shù)人浮想聯(lián)翩。
然而，真實(shí)的黑洞到底長什么樣？
4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際合作組織在全球六地同步召開新聞發(fā)布會，宣布他們已經(jīng)捕獲了首張黑洞照片?！短祗w物理學(xué)雜志通信》以特刊的形式通過六篇論文發(fā)表了這一重大成果。
黑洞，只是說說而已？
黑洞并不是一個什么新鮮詞兒。在理論上，它是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一種天體。
根據(jù)質(zhì)量，天文學(xué)家將宇宙中的黑洞分為恒星級質(zhì)量黑洞（幾十倍至上百倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（幾百萬倍太陽質(zhì)量以上）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）三類。
證明黑洞的存在是天文學(xué)家孜孜不倦的追求，但受到觀測手段的限制，直到上世紀(jì)60年代，科學(xué)家對黑洞都還只能是“說說而已”。
“很久之后人類才意識到，原來可以通過技術(shù)的革新，在宇宙中搜尋這個黑洞。”中國科學(xué)院上海天文臺臺長沈志強(qiáng)說。
但是，這一過程并不順利。
由于黑洞是一個完全黑暗的天體，在一定范圍內(nèi)，就連光線都無法從中逃脫。
此外，由于黑洞距離地球非常遙遠(yuǎn)，以往的天文觀測設(shè)備想要看到黑洞，可以說是“心”有余，而分辨率不足。
因此，天文學(xué)家只能通過尋找一些間接證據(jù)來證明黑洞的存在，比如觀察周圍恒星運(yùn)動、吸積盤、噴流乃至引力波等等。
好奇的人類怎會止步于此？近年來，科學(xué)家開始著手實(shí)施一個宏偉的計劃。
跟地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡
為了能“看見”黑洞，全球200多名科學(xué)家組成了EHT合作組。
2017年4月，他們挑選了世界上多個海拔最高、位置最為偏僻的射電天文臺，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(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點(diǎn)共計6個地區(qū)8個臺站，打算以一種愛因斯坦從未想過的辦法觀測黑洞。
“黑洞的觀測要求非常高，而地球受到大氣層的保護(hù)，很多電磁波無法穿透大氣，只有在海拔三四千米的山上，才有可能觀測到這些信號。”沈志強(qiáng)告訴《中國科學(xué)報》。
地址選定后，科研人員使用了甚長基線干涉測量技術(shù)使世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，并進(jìn)行同步觀測，同時利用地球自轉(zhuǎn)組成了一個口徑如地球大小、觀測波段為1.3 毫米的虛擬望遠(yuǎn)鏡，其精度足以讓一個人在巴黎的咖啡館閱讀紐約的一張報紙。
“這些望遠(yuǎn)鏡并沒有實(shí)際連接起來。”中科院上海天文臺研究員路如森說，“它們之間是借助氫原子鐘進(jìn)行精確計時，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的同步。所有的數(shù)據(jù)匯總起來之后，科學(xué)家利用新型的計算工具，最終生成了黑洞的圖像。”
“真身”現(xiàn)身
這個巨大的望遠(yuǎn)鏡所達(dá)到的靈敏度和分辨率是前所未有的，在這只“大眼睛”的幫助下，科學(xué)家終于見到了黑洞的“真身”。
這張圖片揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系M87中心的黑洞，這個黑洞距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。
這也是人類距離黑洞最近的一次。
整張照片所獲取的圖像，僅為黑洞事件視界尺寸的2.5倍。相比之下，人類以前的一些模糊的觀測結(jié)果只能說距離黑洞還有“十萬八千里”。
“我們捕獲到了黑洞的首張照片。”EHT 項目主任謝潑德·多爾曼說，“這是一項由200 多位科研人員組成的團(tuán)隊完成的非凡的科研成果。”
最為重要的是，這張照片使得愛因斯坦的廣義相對論得到了首次試驗驗證。
科研人員進(jìn)行了多次獨(dú)立的EHT 觀測，通過多個校準(zhǔn)以及不同的成像方法，均揭示了一個環(huán)狀的結(jié)構(gòu)及其中心的暗弱區(qū)域，即黑洞陰影，而這也正是愛因斯坦所預(yù)言的。
“愛因斯坦是對的，他的廣義相對論經(jīng)受住了考驗，我們對黑洞的理解也是正確的。”沈志強(qiáng)說，“這是一個值得被歷史銘記的時刻。”
中國貢獻(xiàn)
中國科學(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，EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關(guān)工作。
在此次合作中，中國科學(xué)家在早期國際合作的推動、望遠(yuǎn)鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測、后期的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面作出了自己的貢獻(xiàn)。
此次的成果得到了中科院天文大科學(xué)研究中心的支持，該中心由國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立，是EHT一個合作機(jī)構(gòu)的成員。
而在200多名科研人員中，來自中國大陸的學(xué)者有16人：中科院上海天文臺8人、中科院云南天文臺1人、中科院高能物理研究所1人、南京大學(xué)2人、北京大學(xué)2人、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)1人和華中科技大學(xué)1人。另外，還有部分來自中國臺灣地區(qū)的學(xué)者。
“我很早就與中國科學(xué)家合作研究黑洞，很高興我們能一起慶祝今天的進(jìn)展。”EHT科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克說，“在天文學(xué)、射電天文學(xué)、太空天體物理等領(lǐng)域，中國在這個全球項目中作出了非常重要的貢獻(xiàn)。”
“對M87中心黑洞的順利成像絕不會是EHT國際合作的終點(diǎn)站。”沈志強(qiáng)說，“我們期望也相信，在不久的將來，EHT會有更多令人興奮的結(jié)果。”
《中國科學(xué)報》 (2019-04-11 第1版 要聞)
