2019-04-12 07:34 | 浙江新聞客戶端 | 記者 曾福泉 何珠華 實習生 林婧 通訊員 陳冬梅
這可能是2019年最有價值和最受期待的照片。4月10日晚一經公布，就吸引了全球的目光。
在明亮吸積現象和「宇宙火柱」噴流現象襯託下，黑洞的「剪影」——這是人類第一次目睹黑洞的真容。自愛因斯坦1916年提出黑洞理論以來，我們終於得到了黑洞存在的直接「視覺」證據。
這一令人震撼的科學成果，來自全球科學家的精誠合作與不懈努力。從山巔到沙漠到南極，射電望遠鏡組成全球網絡，人類擁有了直徑相當於地球的「事件視界望遠鏡」（EHT），這是何等雄偉的實驗能力。
帶著熔巖般金色的「光環」，漆黑「桌布」上的「甜甜圈」，冷寂宇宙中的一團「燭光」，從星空深處望向地球的「眼眸」……前所未見的黑洞照片引發了無盡的遐想。一個世紀前，恢弘的想像力讓人類最優秀的大腦預見黑洞的存在。今天，人類不泯的好奇心，終於把黑洞照亮。
4月10日，全球多地同時召開新聞發布會，發布人類拍到的第一張黑洞照片。 新華社記者 劉傑 攝
獲取黑洞真容
人類探索宇宙的極限再度拓展
「一個裡程碑式的成果！」浙江工業大學天體物理研究所朱濤教授收看了10日晚間首張黑洞照片發布會的直播，極為讚嘆。
根據愛因斯坦的廣義相對論，當一個物體的質量不斷塌縮，就能隱蔽在事件視界之內——在這一黑洞的「勢力範圍」內，引力強大到連光都無法逃脫。此前，雖有許多間接證據證明黑洞的存在，但科學家從未直接「看」到它。
既然黑洞是「黑」的，這一次，我們是如何看到它的呢？朱濤說，黑洞並非孤立存在，當它把周圍的物體吸引到自己的身邊，就會形成一個吸積盤。在吸積盤內的物質被吸入到黑洞的過程中，引力勢能會減少，轉化成大量的、非常明亮的光和輻射，其能量的轉化效率比地球上已知的任何能量轉換效率都要高。同時，黑洞也會以噴流和風的形式向外噴射物質和能量。「這次事件視界望遠鏡對黑洞的觀測，其實主要就是觀測黑洞吸收周圍物質所發出的這些輻射。」
廣義相對論預言，我們將會看到黑洞的中心區域存在一個陰影，周圍環繞一個由吸積或噴流的輻射造成的光環——它狀如新月，大小根據黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同而變化。這次得到的照片完美符合了理論。
「我們再一次證明了廣義相對論的正確性。和以往大多數的弱引力場情況下的檢驗不同的是，這次是在非常極端引力環境下的檢驗，拓展了人類探索宇宙的極限。我認為這是一個新的天文學時代的開始。」朱濤說。
根據質量，天文學家將宇宙中的黑洞分成三類：恆星級質量黑洞（幾十倍到上百倍太陽質量）、超大質量黑洞（幾百萬倍太陽質量以上）和中等質量黑洞（介於兩者之間）。根據理論推算，銀河系中應該存在著上千萬個恆星量級的黑洞。到目前為止，通過間接的觀測，科學家們在銀河系發現和確認了20多個恆星級質量黑洞，但可能有上千萬個恆星級黑洞候選體。
「黑洞是一個檢驗基本物理學規律的天然實驗室，對黑洞的了解越多，我們對人類所提出的各種基本的物理學規律的了解就愈深。對黑洞的形成、演化的研究可以幫助人們進一步探索宇宙起源、演化等現代物理學中的重要基礎課題。」朱濤說。
「事件視界望遠鏡（EHT）」項目主任謝潑德·杜勒曼表示，為了更好地拍攝黑洞，他們計劃在地面望遠鏡基礎上加入太空望遠鏡，並已開始和中國方面討論展開合作。 新華社發
計劃嘆為觀止
打造直徑等於地球的虛擬望遠鏡
能夠拍下黑洞照片的「相機」，絕不一般。
直接觀測黑洞需要極高解析度的望遠鏡：如果是光學望遠鏡，則要為它配備一塊直徑達幾公裡的玻璃鏡片；如果是紅外望遠鏡，它的口徑更要達到幾十甚至上百公裡；若是毫米波望遠鏡，其口徑將相當於地球直徑。
利用甚長基線幹涉測量（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）技術，科學家真的打造出了一個口徑相當於地球直徑的虛擬望遠鏡。中國科學院上海天文臺路如森研究員介紹，VLBI利用廣為分布、距離可達上萬或幾十萬公裡的射電望遠鏡，通過各臺站獨立記錄信號和後期對信號的綜合相關處理，獲得一個大小相當於各臺站之間最大間距的巨型虛擬望遠鏡。VLBI利用精準到每數億年才誤差一秒的原子鐘來保證望遠鏡收集並記錄的信號在時間上同步，並確保信號的穩定性。
2017年4月，科學家將八臺射電望遠鏡組成了巨大的「事件視界望遠鏡」。這些望遠鏡分布在全球的高海拔地區，包括夏威夷和墨西哥的火山、美國亞利桑那州山脈、西班牙內華達山脈、智利阿塔卡馬沙漠，以及南極點。通過這些望遠鏡，我們接收到來自黑洞的輻射，如同拼圖一般將這些微弱信號累積起來，最終就能獲得一幅黑洞「剪影」。
工具準備妥當，還要選擇最合適的黑洞當「模特」。這次科學家選擇了位於人馬座方向的銀河系中心黑洞Sgr A*和近鄰射電星系M87的中心黑洞M87*作為主要目標。黑洞事件視界的大小與其質量成正比，這也意味著質量越大，其事件視界越大。這兩個黑洞質量都超級大，它們的事件視界在地球上看起來也是最大的，可以說是目前最優的成像候選體。
Sgr A*黑洞的質量大約相當於400萬個太陽，所對應的視界面尺寸約為2400萬公裡，相當於17個太陽的大小。然而，地球與Sgr A*相距2.5萬光年之遙。中國科學院上海天文臺沈志強研究員說：「這就意味著，它巨大的視界面在我們看來，大概只有針尖那麼小，就像我們站在地球上去觀看一個放在月球表面的橙子。」M87*中心黑洞的質量更為巨大，達到了60億個太陽質量。
北京時間2017年4月4日，事件視界望遠鏡啟動拍攝，將視線投向了宇宙。最後的觀測結束於美國東部時間4月11日。在觀測結束之後，各個站點收集的數據被匯集到兩個數據中心，超級計算機通過回放硬碟記錄的數據，在補償無線電波抵達不同望遠鏡的時間差後將所有數據集成並進行校準分析，從而產生一個黑洞高解析度影像。此後，經過長達兩年的「衝洗」，首張黑洞照片方得問世。
中國貢獻智慧
黑洞觀測未來還有更多精彩
在這場漫漫探索中，我國科學家作出了重要貢獻。不少科學家長期關注高解析度黑洞觀測和黑洞物理的理論與數值模擬研究。在2017年EHT全球聯合觀測期間，上海65米天馬望遠鏡和新疆南山25米射電望遠鏡，共同參與了密集的毫米波VLBI協同觀測，為最終的M87黑洞成像提供了總流量的限制。
「現代科學的探索越來越依賴國際合作。現代物理學中很多前沿的實驗和觀測研究都是對人類技術能力的挑戰，也越來越需要更多的投入。近年來物理學中的幾個非常重要的發現都是國際合作與努力的結果。」朱濤說，隨著中國經濟社會和創新力量不斷發展，中國參與國際合作的廣度和深度不斷加大，在吸收世界創新養分的同時，也不斷貢獻中國智慧。
參與此次EHT觀測的科學家都表示，對M87*黑洞的順利成像絕不是EHT的終點站：一方面，對於M87*的觀測結果分析還能更加深入，從而獲得黑洞周圍的磁場性質，對理解黑洞周圍的物質吸積及噴流形成至關重要。另一方面，銀河系中心黑洞Sgr A*的照片也將出爐。EHT項目本身還將繼續「升級」，還會有更多的觀測臺站加入EHT，靈敏度和數據質量都將提升。
【浙江新聞+】
黑洞照片背後的浙江鄉情
一
「我這兩年參與的研究項目EHT（事件視界望遠鏡）終於要在今晚公布研究成果了。」北京時間4月10日上午9點34分，美國亞利桑那大學助理天文學家陳志均在家庭微信群裡，發布了這樣一條信息，向家人報喜，滿滿都是激動與欣慰之情。
陳志均（右一）在華盛頓新聞發布會現場。
此時此刻，他的母親、諸暨旅港同鄉會副會長周惠英正在老家牌頭鎮楊曙霞村探親。雖然兩年前就知道兒子加入了研究黑洞的科研團隊，但具體是什麼，她其實並不很清楚。直到看到網絡上鋪天蓋地有關黑洞照片的新聞，她才知道，兒子做的，是一件多麼了不起的事。
出生於1981年的陳志均，1997年在香港完成高中課程，赴美國亞利桑那大學深造，26歲博士畢業後到哈佛大學做了3年博士後研究，專攻天體物理學和計算機專業。
讀博士時，他就開始研究黑洞，之前主要做超級電腦的計算，模擬黑洞周圍的電漿。2年前加入EHT這一研究團隊後，他主要協助EHT設計數據分析的程序，成為軟體及數據召集人，數據分析小組及影像成像小組核心人員，為整個項目架設雲計算系統做數據分析和影像成像。
美國東部時間10日9時(北京時間10日21時)，美國華盛頓、中國上海和臺北、智利聖地牙哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時召開新聞發布會，發布全球約200名科學家合作「事件視界望遠鏡」計劃的第一項重大成果，人類有史以來獲得的第一張黑洞照片公諸於世。
陳志均在家庭群發消息。
二
10日晚上8時多，在楊曙霞村的周惠英和弟弟周偉潮一起，早早地候在家中電視機前，觀看有關黑洞照片公布的直播。
「他從小喜歡物理，七八歲時就開始到圖書館借閱有關物理的書籍。」在周惠英的眼裡，兒子最大的特點就是專注、心靜、愛看書，動手能力也很強，很小的時候就會把家裡的玩具拆了重裝。
這一點，舅舅周偉潮也印象非常深刻：「小時候他每年暑假裡會到諸暨來住一段時間，一整天也不出去玩，就待在家裡把收音機、鬧鐘全部拆開來重裝，往往完好無損，那時候也就七八歲年紀吧。」
在諸暨老家，一直保存著周惠英從美國帶過來的一本英文版《科學人》雜誌。早在2015年，兒子陳志均就在該雜誌上，和導師一起發表了他用電腦模擬的黑洞照片以及相關的研究成果。
今年65歲的周惠英，1979年離開諸暨，嫁給了香港的陳樹林先生，成為九龍荃灣的新移民。她生育了一兒一女。
兒子陳志均在美國讀書時勤奮有加，早上最先亮燈的是他，晚上最後熄燈的也是他。別人要讀4年的大學，他3年就讀完並獲得了物理和數學兩個學位；別人要讀6年的碩士博士，他採取不休假的連讀，在5年內把全部功課的學分拿到手。
女兒雯雯也很出色，香港大學畢業後，從3萬餘名報考公務員的大學生中脫穎而出，進入香港出入境管理處。
「小時候我自己沒條件上學，一定要讓孩子好好讀書。」這是周惠英多年來不懈努力的動力所在。
為了替孩子積累求學資金，她一到香港就想盡一切辦法打工掙錢：一開始，白天外出打工去掙30元錢的苦工，回家還要趕做承攬的縫紉活到半夜。有了孩子以後，不能外出打工了，就替別人帶兩個小孩，在照料孩子的空隙或在孩子們沉睡之後，完成外發加工的縫紉活。
香港人都喜歡喝早茶、逛商店，周惠英和丈夫卻只吃自己做的飯，幾年也捨不得買一件新衣服，節衣縮食替孩子們積累求學資金。
這40年來，諸暨人「耕讀傳家」和吃苦耐勞的奮鬥精神，在她身上淋漓盡致地體現。
陳志均的妻子是美國一位法律界的專業人士，這幾年，陳志均全身心地撲到科學研究中，她非常支持丈夫的選擇，家中大小事情儘量不讓他操心。陳志均的嶽父嶽母，則每年都從加拿大飛到美國去照顧他們的孩子。
三
當天在華盛頓發布現場的陳志均非常激動。對他來說，多年的潛心研究終於有了回報。而對世界來說，就如美國國家科學基金會官網首頁有關發布會的介紹中寫的那樣：「這是關於黑洞的歷史性宣布」。
早在1915年，愛因斯坦發表廣義相對論，最先預言了黑洞的存在。此次發布的黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞，其距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。該圖像的許多特徵與愛因斯坦廣義相對論的預言完全相一致，在強引力極端環境下進一步驗證了廣義相對論。通過研究這個圖像，人類將揭示出黑洞這類天體更多本質。
由於並非直接拍出黑洞圖像，故要花費極長時間衝曬，包括處理當中的各項數據、補足缺失的部分，並展開校準數據的工作。陳志均說，通過參加這次計劃，知道黑洞不只是黑色，當電漿下跌時，會變得很熱，令黑洞有時候會比所在銀河系更亮，「所以我們可以直接幫黑洞拍照，就可以了解電漿特性，從而了解星系的演化。」
陳志均也透露，雲端運算等新科技對這次國際合作十分重要，當其研究團隊為6份論文努力的同時，他們有超過20部強大的虛擬機在美國東岸及西岸的Google數據中心運作，為全球其他科學家提供數據。