綜合新華社 2019年04月11日
5500萬光年外有個“甜甜圈” 人類終于“看到”了黑洞
4月10日，中國科學(xué)院上海天文臺舉行新聞發(fā)布會，為人類史上首張黑洞照片揭幕。新華社記者 金立旺 攝
神秘天體黑洞終于被人類“看到”了。數(shù)百名科研人員參與合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目10日在全球多地同時召開新聞發(fā)布會，發(fā)布他們拍到的第一張黑洞照片。
照片“主角”是室女座超巨橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量是太陽的65億倍，距離地球大約5500萬光年。照片展示了一個中心為黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，看上去有點像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的“陰影”，明亮部分是繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。
“我很高興地宣布，我們首次看到了曾認(rèn)為不可見的東西……而這只是開始。”項目主任、美國哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的謝潑德·杜勒曼在美國首都華盛頓說。發(fā)布會現(xiàn)場多次響起熱烈掌聲。
除華盛頓外，中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾和日本東京等地也同時召開發(fā)布會。美國《天體物理學(xué)雜志通訊》以特刊形式通過6篇論文發(fā)表這一重大成果。
上世紀(jì)初，愛因斯坦提出廣義相對論預(yù)言了黑洞的存在。這是一種體積極小而質(zhì)量極大的天體，引力非常強，以至于周圍一定區(qū)域內(nèi)連光也無法逃逸，這一區(qū)域被稱為“事件視界”。
包括中國科學(xué)院上海天文臺在內(nèi)的一些中國機(jī)構(gòu)參與觀測和數(shù)據(jù)處理。中科院國家天文臺副臺長薛隨建說，此次參與為中國今后在相關(guān)國際合作中發(fā)揮更重要作用做了良好示范。
照片給出黑洞這一極端天體存在的最直接證據(jù)，驗證了廣義相對論，也將幫助回答星系中的壯觀噴流如何產(chǎn)生并影響星系演化等諸多前沿問題。
“黑洞是時空盡頭，存在一些我們想破解的謎團(tuán)。首次給黑洞拍照可能幫助我們朝著解開這些謎更進(jìn)一步。”項目科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克告訴新華社記者。美國哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家亞伯拉罕·洛布形容：“百聞不如一見，一圖抵千言。”
三大看點
數(shù)據(jù)加理論 照片“沖洗”了兩年
人類獲得的首張黑洞照片10日面世。這張照片在科學(xué)上有多重要？拍到黑洞照片有多難？中國又發(fā)揮了什么作用？
了解黑洞吞噬噴射物質(zhì)的過程
兩百多年前，就有科研人員設(shè)想宇宙中存在一種質(zhì)量巨大、引力強到連光也無法逃脫的天體。愛因斯坦在一百多年前提出的廣義相對論，可用于計算出這種天體的若干性質(zhì)。但黑洞作為一個科學(xué)術(shù)語，直到20世紀(jì)60年代才由美國天體物理學(xué)家約翰·惠勒提出。
給黑洞拍照的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克告訴新華社記者，黑洞涉及人類對宇宙的根本了解，“我們的宇宙中有兩大理論，愛因斯坦的相對論描述了宏觀，量子力學(xué)描述了微觀，但是在黑洞的邊緣，相對論與量子力學(xué)無法協(xié)調(diào)，在那里可能會發(fā)現(xiàn)新的東西”。
美國亞利桑那大學(xué)天文學(xué)副教授丹尼爾·馬羅內(nèi)認(rèn)為，黑洞在長時間尺度上會影響宇宙演化。但人們并沒有完全了解黑洞如何吞噬物質(zhì)，然后又將其中一部分以接近光速向外噴射，影響其所在星系。黑洞照片有助于了解黑洞噴流的形成過程。
打開黑洞秘密的全新窗口
此次拍照的一個目標(biāo)是代號為M87的超巨橢圓星系中心黑洞，它的質(zhì)量是太陽的65億倍，但離我們實在太遠(yuǎn)，達(dá)到5500萬光年。
要拍攝這么遠(yuǎn)的對象，科學(xué)家模擬出口徑像地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡，這就是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，它集合了分布在全球各地的多個射電望遠(yuǎn)鏡。從智利阿塔卡馬沙漠到南極冰原，從西班牙的高山到夏威夷的海島，8個射電望遠(yuǎn)鏡通過“甚長基線干涉測量技術(shù)”聯(lián)合起來，成功拍到人類歷史上第一張黑洞照片。
經(jīng)大約兩年的數(shù)據(jù)處理及理論分析，照片才成功“沖洗”出來。談及給黑洞拍照的難度，項目協(xié)作委員會主席、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯打比方說：“如果地球是平的，那使用這一技術(shù)可以從波恩看清紐約街頭報紙上的字。”
照片展示了一個中心黑色的明亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)，有點像甜甜圈，也與此前科幻電影《星際穿越》科學(xué)顧問根據(jù)相對論等模擬的黑洞圖片相似。
此次合作匯集了全球超過200名研究人員的共同努力。“我們已經(jīng)完成了上一代人認(rèn)為不可能做到的事情。”項目主任、美國哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的謝潑德·杜勒曼總結(jié)說。“技術(shù)的突破、世界上最好的射電望遠(yuǎn)鏡之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開了一個了解黑洞的全新窗口。”
期待中國成為重要一員
在“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目中，中國科學(xué)院天文大科學(xué)研究中心（國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺）參與了位于美國夏威夷的東亞JCMT望遠(yuǎn)鏡對黑洞的觀測，多名中國學(xué)者是此次黑洞照片相關(guān)論文的作者。
不過，中國天文學(xué)界清醒地認(rèn)識到目前的“參與者”角色。中國科學(xué)院國家天文臺副臺長薛隨建指出，這次“算是重在參與”，“在中國科學(xué)界參與的三十米望遠(yuǎn)鏡（TMT）等其他重大國際項目中，那些可預(yù)期和不可預(yù)期的重大發(fā)現(xiàn)將更加激動人心。”
太空可能是中國未來能發(fā)揮更多作用的地方。法爾克說，今后要拍攝更好的黑洞照片，就需要比地球還大的望遠(yuǎn)鏡，這就需要走向太空，“中國在射電干涉測量技術(shù)和太空探索方面的能力正快速增長，我期待未來中國能成為這個領(lǐng)域的重要一員”。
專訪物理學(xué)家李淼：
拍的不是黑洞“樣子” 是對周圍物質(zhì)影響
□川報記者 熊筱偉
北京時間4月10日21時，人類首張黑洞照片正式發(fā)布。看到新聞，讓不少人看不懂的是：不是說黑洞引力之大，連光都逃不掉嗎？應(yīng)該是什么都看不到啊，怎么會有照片呢？
照片發(fā)布前，我國著名物理學(xué)家、中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼在奔赴專題節(jié)目直播的間隙，接受了記者專訪。
“常識并沒有問題，光是逃不出黑洞的。”李淼說，但黑洞對周圍物質(zhì)和恒星的影響可以讓科學(xué)家觀察它們。簡單說，通過記錄下周圍物質(zhì)的變化，“勾勒”出黑洞的輪廓。
“黑洞外圍會有物質(zhì)，在引力作用下繞著黑洞轉(zhuǎn)，不斷摩擦產(chǎn)生輻射。而同樣因為引力，輻射在釋放出來的時候，會損失掉部分能量。對輻射來說，能量越大頻率越高。能量弱了，頻率會變慢，這就是著名的紅移現(xiàn)象，這個現(xiàn)象被各地觀察點捕捉，就成了黑洞的‘照片’”。
給黑洞拍照片，意義何在？“本身拍照這件事就足夠有趣了。”李淼說，同時此次拍照的黑洞，是在銀河系形成之初就有了，“對它們的觀察有助于研究了解銀河系的形成。”李淼介紹，所有星系中心都有超大黑洞，銀河系中心的黑洞絕對不是最大的。
為什么星系中間會有黑洞？“因為銀河系剛剛形成的時候，中心物質(zhì)最多，就容易塌縮成黑洞。”
黑洞吸收了那么多物質(zhì)，這些物質(zhì)都到哪兒去了？“都到奇點去了，但對奇點我們還缺乏了解。”
科學(xué)家說
人類首張黑洞照片是怎樣拍的
“如果地球是平的，那使用這一技術(shù)可以從波恩看清紐約街頭報紙上的字。”德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯對新華社記者說，集合全球射電望遠(yuǎn)鏡給黑洞拍照，有助于探索宇宙形成之謎。
名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的項目，主要任務(wù)是拍攝兩個黑洞。一個位于銀河系中心，名為“人馬座A*”，是距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞；另一個就是位于銀河系鄰近星系M87中心的黑洞。
即使最近的“人馬座A*”，距地球也有2.6萬光年，M87更是距離地球5500萬光年。
給這么遠(yuǎn)的對象拍照，需要舉全球之力，科學(xué)家模擬出口徑像地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡，這就是“事件視界望遠(yuǎn)鏡”，項目團(tuán)隊由來自全球的數(shù)百名研究人員組成，集合了分布在全球各地的多個射電望遠(yuǎn)鏡。
拍照工作大約兩年前正式啟動，位于歐洲、美洲、大洋洲和南極洲的8個天文臺參與，觀測數(shù)據(jù)于2017年4月完成收集，并在當(dāng)年年底送到馬克斯·普朗克射電天文研究所和美國麻省理工學(xué)院分析。2018年6月至11月，各地科學(xué)家基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像構(gòu)建工作。此后直至今年4月，是相關(guān)論文的撰寫和同行評議階段。
岑蘇斯表示，首次發(fā)布黑洞照片“只是開始”。“我們未來會擴(kuò)大陣列望遠(yuǎn)鏡的數(shù)量規(guī)模，提高靈敏度和分辨率，繼續(xù)觀測兩個黑洞在不同階段的變化，甚至對新的黑洞進(jìn)行觀察，拍攝新的、質(zhì)量更好的照片。”
國際時評
當(dāng)全世界同望星空 黑洞也“發(fā)光”
宇宙中最神秘的天體、時空中的無底深淵，即使是光都無法逃逸……長久以來，黑洞只不過是廣義相對論的預(yù)言、愛因斯坦的方程、模擬電腦圖像、引力波等項目的間接證據(jù)，或者科幻小說的想象。
然而，當(dāng)全球科學(xué)界將分布在世界各地的8個射電望遠(yuǎn)鏡（陣）組成“地球級別”的虛擬望遠(yuǎn)鏡陣列，同一時刻、同一方向，對準(zhǔn)同一片遙遠(yuǎn)星空，就連黑洞——這些深藏于宇宙各處的引力陷阱，也會“發(fā)出耀眼光芒”。
從美國夏威夷到智利，從伊比利亞半島到南極……全球30多個研究所，200多名科學(xué)家，傾數(shù)年心血，攜手并肩，共同記錄黑洞周圍吸積盤和噴流等發(fā)出的耀眼光芒，從而讓超大質(zhì)量黑洞無處遁形，顯現(xiàn)“真容”。正是全球同步的努力，讓人類拍攝到有史以來首張黑洞照片。
在這一“興師動眾”的過程中，科研領(lǐng)域全球同步的作用愈發(fā)凸顯。正如“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項目科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授海諾·法爾克所說，這樣的項目需要整個世界。
事實上，觀測黑洞項目，讓地球上幾乎所有這一領(lǐng)域的研究人員都不同程度地以不同方式參與其中。科學(xué)探索，正讓整個世界以不同尋常的方式更緊密地連接在一起，不僅讓地球，也讓人類成為一個共同體。
無論是對黑洞概念懵懵懂懂的早期天文學(xué)家、發(fā)表廣義相對論的愛因斯坦、獲得黑洞存在證據(jù)的引力波項目團(tuán)隊，還是今天共同拍攝黑洞照片的各國科研人員，讓人類持續(xù)探索并不斷取得進(jìn)步的動力之一，正是人類作為一個共同體對宇宙和自身的好奇心。
無論仰望星空，還是審視自己，當(dāng)?shù)厍蛏系娜藗內(nèi)w凝視同一方向，如同黑洞這樣曾經(jīng)深藏不露的未知，終將一個接一個“顯露光芒”。
綜合新華社
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