從2019年4月全球首張黑洞照片發(fā)布至今，黑洞研究的進展一直在持續(xù)，從黑洞全景圖、再到證明自旋存在。

科學(xué)家們對黑洞的探索并沒有結(jié)束，“彩色黑洞”、“黑洞小視頻”也成為了科學(xué)家們的下一步的目標(biāo)。

在拍攝黑洞首張照片的功臣——全球合作、數(shù)年準(zhǔn)備的事件視界望遠鏡(EHT)項目中，有國內(nèi)16位學(xué)者參與。作為一個以直接觀測星系中心超大質(zhì)量黑洞在事件視界尺度上的結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)的國際合作項目，EHT的科研目標(biāo)不僅在于證明黑洞的存在，更要了解更多黑洞相關(guān)的物理性質(zhì)，以及氣體被吞噬的過程。

其中，EHT合作組織中國協(xié)調(diào)人、中國科學(xué)院上海天文臺臺長沈志強研究員，路如森研究員，江悟副研究員，趙杉杉助理研究員都全程參與其中。

沈志強研究員告訴第一財經(jīng)：“全球都在研究同一個黑洞，就需要我們做出與別人不一樣的東西，有自己的開拓，不管是探索偏理論還是琢磨偏技術(shù)的東西，在國際合作中應(yīng)該發(fā)出一些‘中國聲音’。”

在這些黑洞研究成果中，中國科學(xué)家團隊扮演了哪些角色？

5年洗照片

2018年從國外回來加入上海天文臺的路如森，除了與合作者于2019年、2021年和2022年在M87星系中心成功捕獲人類首張黑洞照片及其偏振圖像以及銀河系中心黑洞的首張照片外，去年4月剛牽頭國際團隊拍攝了M87黑洞的首張全景圖，首次表明了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系，相關(guān)成果發(fā)表在《自然》雜志上。

“當(dāng)時國際上在這個領(lǐng)域已有較多積累，但國內(nèi)的基礎(chǔ)還相對薄弱?；貒鴷r就想能幫助我們國內(nèi)黑洞成像研究推進到國際先進水平。”

但研究過程并非一帆風(fēng)順。當(dāng)結(jié)果受到國外學(xué)者質(zhì)疑時，路如森與合作者一遍遍地檢查數(shù)據(jù)分析結(jié)果，開發(fā)新算法去解決科研難題，探尋影響結(jié)果的不確定因素，持續(xù)打磨研究結(jié)果，還要耐心解答同行們提出的各種疑問。出成果的過程煎熬又磨人。但路如森認(rèn)為：“科學(xué)需要辯論，已有研究的‘天花板’需要打破，更要發(fā)出‘中國聲音’。這能了解他人的看法、獲得借鑒，讓研究結(jié)果更嚴(yán)謹(jǐn)。”

以去年發(fā)布在《自然》雜志的黑洞全景圖為例，照片其實在2018年4月14日至15日就已經(jīng)拍好，但經(jīng)過了5年處理才發(fā)布。路如森對第一財經(jīng)解釋稱，在初步處理數(shù)據(jù)后，他們就在數(shù)據(jù)中注意到了前所未有的新特征，這給團隊成員很大激勵。經(jīng)過了復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和成圖過程，反復(fù)驗證和確認(rèn)結(jié)果，最終在五年后呈現(xiàn)出這張新圖像。

“此前我們參與的全球首張銀河系中心黑洞照片其實也是2017年拍攝的，這中間也花了5年的時間。VLBI（甚長基線干涉測量）這一塊，實際上還是比較復(fù)雜，需要花時間的，所以說拍照的時間也就大約是幾個小時，但是‘洗照片’的過程，包括后邊的理論解釋，可能花的時間就要多得多，這是我們?yōu)槭裁匆〝?shù)年的時間才能得到這樣一張照片的原因。”

路如森說，關(guān)于M87黑洞研究的下一步的目標(biāo)是與EHT一起拍攝“彩色黑洞”還有給黑洞拍攝“電影”。所謂“彩色”就是在不同的觀測波長上給黑洞拍照。而為了在下一步給黑洞拍攝“電影”的研究中搶占科技制高點和更多國際學(xué)術(shù)話語權(quán)，就要有自己的觀測設(shè)備。為此，上海天文臺已推動實施了我國毫米波VLBI實驗系統(tǒng)建設(shè)，同時提出并積極推動在西部地區(qū)建設(shè)亞毫米波望遠鏡及陣列并發(fā)展相關(guān)觀測設(shè)施。

火山口觀測

除了這些日常的“洗照片”工作，科研團隊還需要做實地觀測。

中國科學(xué)院上海天文臺江悟副研究員告訴第一財經(jīng)，要從地球上看見黑洞，必須使用在亞毫米波段工作的望遠鏡。亞毫米波天文觀測需要干燥的天氣環(huán)境和稀薄的大氣，因此火山口是一個不錯的選擇。夏威夷有兩座著名的火山——一座仍然活躍，另一座是休眠火山，成為天文觀測勝地。給黑洞拍照的事件視界望遠鏡就有2臺建在這座火山口。

江悟是參加“事件視界望遠鏡”（EHT）觀測的科研人員之一。“去那里觀測除了高原反應(yīng)引起的氣喘和些許頭痛外，印象最深的是雖然在半夜觀測，大家都熱情高漲，工作時一絲不茍，通力合作。”江悟回憶道，“最大的福利莫過于，在凌晨返回基地的途中，有時還能見到另一個山頭的火山口正噴發(fā)著火星，同時見證大自然的神奇和宇宙黑洞的神奇算是都趕上了。”

在他看來，目前，天文學(xué)家們已經(jīng)得到兩個超大質(zhì)量黑洞的圖像。接下來是否可以看見兩個相互繞轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量雙黑洞呢？根據(jù)天文學(xué)的星系并合理論，這在理論上是存在的。

江悟?qū)Υ撕苤?，也正在和同事一道努力推進亞毫米波望遠鏡的建設(shè)，特別是多頻同時接收技術(shù)的研發(fā)。“多頻同時接收技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢。”江悟說，“它能夠探測更弱的信號，這樣天文學(xué)家們就有望觀測到更多黑洞圖像，同時也發(fā)現(xiàn)更多的雙黑洞。”

目前，江悟正在與國際同行積極開展多頻同時接收技術(shù)的觀測實驗。

做理論也研究技術(shù)

作為團隊中最小的“90后”，中國科學(xué)院上海天文臺趙杉杉助理研究員在2017年加入了“事件視界望遠鏡”（EHT）合作組，彼時她還是在讀的博士研究生。

從2017年至今，她親歷了M87黑洞照片和銀河系中心黑洞照片的合作研究過程，其中對觀測數(shù)據(jù)的理論解釋是她最為熟悉的環(huán)節(jié)。“對于公眾來說，可能看到黑洞照片就足夠了，但對于科研人員來說，我們更關(guān)心的是黑洞照片背后的物理意義。”

為了盡可能考慮到各種可能性，EHT合作組的理論工作組利用計算機數(shù)值模擬生成了一個龐大的模型圖像庫，并且不斷進行擴充。2019年時，模型圖像庫含6萬張圖像，到2022年時則擴充到180萬張圖像。趙杉杉所在的理論工作組將模型圖像庫與觀測數(shù)據(jù)進行比較，篩選出二者符合良好的模型。

比如，對于銀河系中心黑洞照片，黑洞“頭頂”朝向地球的、自轉(zhuǎn)的、吸積盤順轉(zhuǎn)的模型符合更好一些。之所以需要如此龐大的圖像庫，是因為黑洞周圍的環(huán)境非常復(fù)雜，這種復(fù)雜性導(dǎo)致很多物理參數(shù)都是不確定的，每個物理參數(shù)變動一點，最后生成的模型圖像都可能大不一樣。每張模型圖像背后是大量的人力和算力。一次數(shù)值模擬需要在超級計算機上算幾周到幾個月，如果變動參數(shù)就要重新計算。從這個角度說，黑洞圖像的理論解釋是非常“昂貴”的研究工作。

現(xiàn)在，趙杉杉不僅從事理論研究，還更加積極地投入到觀測和望遠鏡技術(shù)領(lǐng)域中。“我以前以為做科研就是坐在電腦前推公式、寫代碼，從來沒想過可以參與建設(shè)望遠鏡。但是沈臺長經(jīng)常跟我們說一句話：‘你不做，就沒有人做了’。”

為了早日用上中國自己的設(shè)備給黑洞拍照，她投入完全未知的新領(lǐng)域。觀測波長越短的射電望遠鏡建設(shè)難度越高。大部分的射電望遠鏡的工作頻段在厘米波段，而給黑洞拍照的望遠鏡需要做到毫米波段，甚至亞毫米波段，這對望遠鏡的制造工藝和工作環(huán)境都提出了非?？量痰囊?。

為此，趙杉杉跟隨團隊去西藏進行考察，尋找合適的站址。“望遠鏡的每個零件都要精益求精，任何一個小螺絲的松動，都會影響到最后的結(jié)果。理論研究通常是純粹和完美的，而造望遠鏡總是會出各種各樣的狀況，需要你用一種更務(wù)實的心態(tài)來應(yīng)對。”（文中照片皆為采訪對象提供）