科學(xué)家眼中的“歷史性時(shí)刻”——

　　“愛因斯坦還是對(duì)的！”

　　作家茨威格曾在其著作《人類群星閃耀》里寫道：倘若出現(xiàn)一個(gè)具有歷史意義的時(shí)刻，這一刻必將影響數(shù)十年乃至數(shù)百年。

　　北京時(shí)間2019年4月10日晚21時(shí)07分或許就是這樣一個(gè)時(shí)刻，至少對(duì)中國科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)來說是這樣。

　　這一刻，他所參與捕獲的人類首張黑洞照片面向全球同步發(fā)布。

　　100年之前，愛因斯坦廣義相對(duì)論得到了首次試驗(yàn)驗(yàn)證，如今這一理論則再一次獲得“強(qiáng)有力的支持”。

　　“愛因斯坦真是個(gè)天才，他還是對(duì)的！”

　　在黑洞照片的上海發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)，沈志強(qiáng)不斷發(fā)出這樣的感慨。他告訴中國青年報(bào)·中青在線記者，“全球200多位科研人員花了幾年時(shí)間，最終得到這樣一個(gè)顛覆性的觀測(cè)和讓人信服的圖像——這是值得銘記的時(shí)刻！”

　　既然沒法看見，如何知道黑洞存在？

　　所謂黑洞，是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體。按照中科院上海天文臺(tái)研究員路如森的說法，黑洞具有超強(qiáng)引力，即便是光，也無法逃脫它的勢(shì)力范圍。該勢(shì)力范圍被稱作黑洞的半徑或被稱作“事件視界”。

　　“等一下，真的有黑洞嗎？你是如何確認(rèn)黑洞存在的？”

　　這樣的問題，路如森曾不止一次被問及：“黑洞的名字，乍一聽，黑的洞，那是不是就表明‘沒法看見’；如果沒法看見，那怎么就知道它存在呢？”

　　事實(shí)上，在這次“拍照”前，天文學(xué)家們已經(jīng)通過多種間接的證據(jù)來證明黑洞的存在。路如森向記者列舉了其中主要的三類代表性證據(jù)。

　　第一，恒星、氣體的運(yùn)動(dòng)透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強(qiáng)引力，對(duì)周圍的恒星、氣體會(huì)產(chǎn)生影響，于是科學(xué)家可以通過觀測(cè)這種影響來確認(rèn)黑洞的存在。

　　第二，黑洞在“吃東西”即吸積物質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)出一定的光，科學(xué)家據(jù)此來判斷黑洞的存在。

　　第三，通過一定設(shè)備“看到”黑洞成長(zhǎng)的過程，來推導(dǎo)黑洞的存在。

　　“還有很多類似的證據(jù)，無不說明了黑洞真實(shí)存在。但這還是間接的，而我們一直想要做到的，就是直接‘看’到黑洞！”路如森說。

　　按照100多年前愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論，人類似乎永遠(yuǎn)不能看到“黑洞本身”，相應(yīng)的，黑洞的“事件視界”，就是科學(xué)家能看到的“最接近黑洞本身的圖像”。

　　之所以要“看到”黑洞、給黑洞“拍照”，一個(gè)主要目的就是“看看愛因斯坦究竟是不是對(duì)的”。

　　沈志強(qiáng)說，對(duì)黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。黑洞是具有強(qiáng)引力的，因此給黑洞“拍照”，最重要的目的是在強(qiáng)引力場(chǎng)的極端環(huán)境下，驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對(duì)論，并同時(shí)細(xì)致研究黑洞周圍的物質(zhì)吸積和噴流的形成及傳播。

　　至于黑洞和人類現(xiàn)實(shí)生活有何關(guān)系？科學(xué)家并不能給出現(xiàn)成的答案。

　　不過沈志強(qiáng)表示，天文學(xué)家一些和此相關(guān)的“提問”，或許能在一定程度上回答這個(gè)問題：人類居住的銀河系中心就有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的400多萬倍。那么，這顆超大質(zhì)量黑洞會(huì)不會(huì)影響人類的生活？銀河系中除了這個(gè)超大質(zhì)量黑洞外，還有很多恒星級(jí)黑洞，它們和人類、地球又有什么關(guān)系？“如果我們關(guān)心人類和地球，就應(yīng)該關(guān)心黑洞。”

　　要能在巴黎的咖啡館“看到”紐約的報(bào)紙

　　不過，要想真正“看到”黑洞并不容易。按照沈志強(qiáng)的說法，要對(duì)黑洞成像，必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而能保證“看得到”和“看得清”。

　　科學(xué)界公認(rèn)最好的工具莫過于1967年出現(xiàn)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（英文簡(jiǎn)稱VLBI）——該技術(shù)也曾多次應(yīng)用于我國嫦娥探月工程的探測(cè)器，“假定在1毫米波長(zhǎng)觀測(cè)，一個(gè)長(zhǎng)度為1萬千米的基線，就能獲得約21微角秒的分辨本領(lǐng)”。

　　“這是什么概念？形象地說，達(dá)到的分辨率約20微角秒，就足以在巴黎的一家路邊咖啡館，閱讀紐約的報(bào)紙！”沈志強(qiáng)說。

　　不過，這并不意味著只要VLBI陣列的分辨率足夠高，就一定能成功給黑洞拍照。“如同觀看電視節(jié)目必須選對(duì)頻道一樣，對(duì)黑洞成像而言，能夠在合適的波段進(jìn)行VLBI觀測(cè)至關(guān)重要。觀測(cè)黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。”沈志強(qiáng)說。

　　事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）觀測(cè)所利用的技術(shù)就是毫米波VLBI，目前其工作波段在1.3毫米。

　　這是由8個(gè)地面射電望遠(yuǎn)鏡組成的國際合作觀測(cè)陣列——一個(gè)觀測(cè)口徑近乎于地球大小的“虛擬望遠(yuǎn)鏡”，“所達(dá)到的靈敏度和分辨本領(lǐng)都是前所未有的”。

　　路如森告訴記者，雖然分布在地球各地的8個(gè)地面射電望遠(yuǎn)鏡，并沒有實(shí)際連接，但借助氫原子鐘精確計(jì)時(shí)，各臺(tái)望遠(yuǎn)鏡可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的同步。

　　在2017年的全球觀測(cè)中，EHT的觀測(cè)波長(zhǎng)就實(shí)現(xiàn)了1.3毫米。

　　按照路如森的說法，EHT的每一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都記錄了大量的數(shù)據(jù)——每天約350太字節(jié)。這些數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在高性能的充氦硬盤上。一旦生成，數(shù)據(jù)就會(huì)被空運(yùn)到德國馬普射電所和美國麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)，在那里，被稱作相關(guān)處理機(jī)的高度專業(yè)化超級(jí)計(jì)算機(jī)，將對(duì)各個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　最后，借助合作開發(fā)的新型計(jì)算工具，這些數(shù)據(jù)被精心處理并用來生成圖像。

　　如今，作為多年國際合作的結(jié)果，EHT終于為科學(xué)家提供了研究宇宙中“最極端天體”——黑洞的新手段。

　　路如森透露，未來，隨著格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和基特峰望遠(yuǎn)鏡等加入，EHT的靈敏度將顯著提高，并有望擴(kuò)展到更短的0.8毫米。

　　中國天文學(xué)家作了“非常重要的貢獻(xiàn)”

　　根據(jù)EHT發(fā)布的情況，全球參與此次EHT國際合作項(xiàng)目的科研人員達(dá)200名之多，其中，來自中國大陸的學(xué)者有16人，分別來自上海天文臺(tái)8人、云南天文臺(tái)1人、高能物理所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、華中科技大學(xué)1人。另外，還有部分來自中國臺(tái)灣地區(qū)的學(xué)者。

　　早在20年前，EHT科學(xué)委員會(huì)主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克就曾和我國科學(xué)家合作研究黑洞。

　　如今再次合作，海諾·法爾克評(píng)價(jià)中國科學(xué)家表現(xiàn)時(shí)說：“他們現(xiàn)在是中國受人尊敬的科學(xué)家。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(gè)全球項(xiàng)目中作出了非常重要的貢獻(xiàn)！”

　　路如森告訴記者，在EHT國際合作形成之前，我國就已經(jīng)關(guān)注高分辨率黑洞觀測(cè)和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，并開展了多方面“具有國際顯示度”的相關(guān)工作。

　　具體到這一次合作，我國科學(xué)家在早期EHT國際合作的推動(dòng)、EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的申請(qǐng)、夏威夷JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)、后期的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面都作出了貢獻(xiàn)。

　　路如森還記得，他曾到夏威夷參與觀測(cè)，在4000多米的高山上“爬上爬下”，褪去科學(xué)家的光環(huán)，直接掄胳膊上陣充當(dāng)“苦力”，調(diào)試磁盤陣列。

　　EHT董事會(huì)主席、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長(zhǎng)安東·岑蘇斯透露，他們和中國科學(xué)家建立了廣泛的合作伙伴關(guān)系。他所在的研究所就有許多合作過的學(xué)生和博士后研究員，其中一位，就是路如森。

　　安東·岑蘇斯說，路如森到上海天文臺(tái)之前，就曾是馬克斯·普朗克研究小組的領(lǐng)導(dǎo)者。令他印象深刻的是，路如森的興趣在于使用VLBI方法進(jìn)行觀測(cè)，在后來的實(shí)際工作中也進(jìn)行了數(shù)據(jù)的成像重建。

　　“還有其他科學(xué)家?guī)椭覀兪褂肑CMT射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，有的參與了已獲得的數(shù)據(jù)的理論建模工作。所以，中國在這個(gè)項(xiàng)目中的參與是多方面的！”安東·岑蘇斯說。

　　首張黑洞照片發(fā)布后，沈志強(qiáng)告訴記者，對(duì)M87中心黑洞的順利成像，絕不是EHT國際合作的“終點(diǎn)站”，“也許，就在未來的不久，我們就將迎來更多令人興奮的結(jié)果”。（記者 邱晨輝）