科學家眼中的“歷史性時刻”——

　　“愛因斯坦還是對的！”

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

　　北京時間2019年4月10日晚21時07分或許就是這樣一個時刻，至少對中國科學院上海天文臺臺長沈志強來說是這樣。

　　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，愛因斯坦廣義相對論得到了首次試驗驗證，如今這一理論則再一次獲得“強有力的支持”。

　　“愛因斯坦真是個天才，他還是對的！”

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

　　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論預(yù)言存在的一種天體。按照中科院上海天文臺研究員路如森的說法，黑洞具有超強引力，即便是光，也無法逃脫它的勢力范圍。該勢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？”

　　事實上，在這次“拍照”前，天文學家們已經(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、氣體的運動透露了黑洞的蹤跡。黑洞有強引力，對周圍的恒星、氣體會產(chǎn)生影響，于是科學家可以通過觀測這種影響來確認黑洞的存在。

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

　　第三，通過一定設(shè)備“看到”黑洞成長的過程，來推導黑洞的存在。

　　“還有很多類似的證據(jù)，無不說明了黑洞真實存在。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論，人類似乎永遠不能看到“黑洞本身”，相應(yīng)的，黑洞的“事件視界”，就是科學家能看到的“最接近黑洞本身的圖像”。

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

　　沈志強說，對黑洞陰影的成像將能提供黑洞存在的直接“視覺”證據(jù)。黑洞是具有強引力的，因此給黑洞“拍照”，最重要的目的是在強引力場的極端環(huán)境下，驗證愛因斯坦的廣義相對論，并同時細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)實生活有何關(guān)系？科學家并不能給出現(xiàn)成的答案。

　　不過沈志強表示，天文學家一些和此相關(guān)的“提問”，或許能在一定程度上回答這個問題：人類居住的銀河系中心就有一個超大質(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)量黑洞會不會影響人類的生活？銀河系中除了這個超大質(zhì)量黑洞外，還有很多恒星級黑洞，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”紐約的報紙

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

　　科學界公認最好的工具莫過于1967年出現(xiàn)的甚長基線干涉測量技術(shù)（英文簡稱VLBI）——該技術(shù)也曾多次應(yīng)用于我國嫦娥探月工程的探測器，“假定在1毫米波長觀測，一個長度為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，閱讀紐約的報紙！”沈志強說。

　　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)目必須選對頻道一樣，對黑洞成像而言，能夠在合適的波段進行VLBI觀測至關(guān)重要。觀測黑洞視界的最佳波段在1毫米附近。”沈志強說。

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

　　這是由8個地面射電望遠鏡組成的國際合作觀測陣列——一個觀測口徑近乎于地球大小的“虛擬望遠鏡”，“所達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個地面射電望遠鏡，并沒有實際連接，但借助氫原子鐘精確計時，各臺望遠鏡可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的同步。

　　在2017年的全球觀測中，EHT的觀測波長就實現(xiàn)了1.3毫米。

　　按照路如森的說法，EHT的每一臺望遠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)被存儲在高性能的充氦硬盤上。一旦生成，數(shù)據(jù)就會被空運到德國馬普射電所和美國麻省理工學院海斯塔克天文臺，在那里，被稱作相關(guān)處理機的高度專業(yè)化超級計算機，將對各個臺站數(shù)據(jù)進行處理。

　　最后，借助合作開發(fā)的新型計算工具，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，隨著格陵蘭望遠鏡和基特峰望遠鏡等加入，EHT的靈敏度將顯著提高，并有望擴展到更短的0.8毫米。

　　中國天文學家作了“非常重要的貢獻”

　　根據(jù)EHT發(fā)布的情況，全球參與此次EHT國際合作項目的科研人員達200名之多，其中，來自中國大陸的學者有16人，分別來自上海天文臺8人、云南天文臺1人、高能物理所1人、南京大學2人、北京大學2人、中國科學技術(shù)大學1人、華中科技大學1人。另外，還有部分來自中國臺灣地區(qū)的學者。

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

　　如今再次合作，海諾·法爾克評價中國科學家表現(xiàn)時說：“他們現(xiàn)在是中國受人尊敬的科學家。在天文學、射電天文學、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！”

　　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，我國科學家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、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。

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

　　EHT董事會主席、德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯透露，他們和中國科學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之前，就曾是馬克斯·普朗克研究小組的領(lǐng)導者。令他印象深刻的是，路如森的興趣在于使用VLBI方法進行觀測，在后來的實際工作中也進行了數(shù)據(jù)的成像重建。

　　“還有其他科學家?guī)椭覀兪褂肑CMT射電望遠鏡進行觀測，有的參與了已獲得的數(shù)據(jù)的理論建模工作。所以，中國在這個項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，沈志強告訴記者，對M87中心黑洞的順利成像，絕不是EHT國際合作的“終點站”，“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）