天文學(xué)家公布銀河系中心黑洞首張照片。（來(lái)源：新華社，EHT合作組織供圖）
M87星系中心超大質(zhì)量黑洞。（來(lái)源：新華社，EHT合作組織供圖）
2019年，沈志強(qiáng)接受本報(bào)全媒體記者專訪。（資料圖）
北京時(shí)間5月12日晚21時(shí)，全世界多地的天文學(xué)家向人類展示了來(lái)自于EHT的一項(xiàng)突破性成果——首次拍攝到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞人馬座A*(以下簡(jiǎn)稱Sgr A*)的照片。這是繼2019年4月人類拍攝到M87星系中心超大質(zhì)量黑洞照片后的第二張黑洞照片。該發(fā)現(xiàn)集結(jié)了來(lái)自全球80個(gè)研究機(jī)構(gòu)共300多名研究人員組成的EHT合作組織的奇思妙想才得以實(shí)現(xiàn)。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來(lái)克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團(tuán)隊(duì)花了五年時(shí)間，用超級(jí)計(jì)算機(jī)合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫(kù)與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)。
EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡：Event Horizon Telescope）合作組織國(guó)內(nèi)協(xié)調(diào)人、上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)從事銀河系中心超大黑洞研究已有20多年時(shí)間。昨日他接受廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者專訪，介紹了該黑洞的很多物理性質(zhì)以及人類共同協(xié)作拍攝該黑洞照片的歷程與故事。沈志強(qiáng)表示，銀河系中心黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的約400萬(wàn)倍，太陽(yáng)系圍繞該黑洞旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間約2.25億年，但該黑洞的形成仍是未解之謎，而前后兩張黑洞照片的發(fā)現(xiàn)，也再一次驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對(duì)論。
文、圖/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者 武威（除署名外）
對(duì)話沈志強(qiáng)：
太陽(yáng)系繞銀心黑洞一圈約2.25億年
廣州日?qǐng)?bào)：據(jù)科學(xué)觀測(cè)，銀河系中心黑洞的質(zhì)量約是多大？體積多大？直徑多大？其密度有多大？
沈志強(qiáng)：根據(jù)我們目前的觀測(cè)了解，銀心黑洞的質(zhì)量約為400萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量，若將其看作一個(gè)（視界）直徑為2400萬(wàn)千米（約太陽(yáng)直徑的17倍，地球到月亮的距離的63倍)的球體，不難估算出它的密度約為1200克每立方厘米。這個(gè)密度是水密度的1200倍。
廣州日?qǐng)?bào)：太陽(yáng)系圍繞這個(gè)銀河系黑洞運(yùn)動(dòng)的角速度有多大？太陽(yáng)到這個(gè)黑洞的平均距離為多少？
沈志強(qiáng)：處在獵戶旋轉(zhuǎn)臂的我們的太陽(yáng)（地球）距離銀心黑洞約為27000光年，正以每秒240公里的速度繞銀心公轉(zhuǎn)，由此不難估算出太陽(yáng)系圍繞這個(gè)銀心黑洞的角速度約為1.6°/百萬(wàn)年，或者說(shuō)要用大約2.25億年繞轉(zhuǎn)一圈。
廣州日?qǐng)?bào)：銀河系中心黑洞的形成是否有一些假說(shuō)？這次的觀測(cè)對(duì)這些假說(shuō)是否能有一定的證明？
沈志強(qiáng)：目前我們認(rèn)為，恒星質(zhì)量級(jí)的黑洞是由大質(zhì)量恒星演化晚期坍縮形成，但星系中央的超大質(zhì)量黑洞是如何形成的，仍是未解之謎。
銀心黑洞應(yīng)該是已演化到了穩(wěn)定階段，科學(xué)家們利用EHT觀測(cè)及其它的多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的諸多限制來(lái)篩選不同理論模型（不同轉(zhuǎn)動(dòng)速度，磁場(chǎng)和吸積物質(zhì)電子性質(zhì)的理論模型），但尚無(wú)法回答黑洞形成階段的問題。
廣州日?qǐng)?bào)：是否大星系的中央都有這樣一個(gè)巨大的黑洞？宇宙的中心是否也有一個(gè)巨大的黑洞？
沈志強(qiáng)：是的，通常認(rèn)為大多數(shù)星系中心是存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。今天我們知道我們所處的宇宙是各向同性，沒有一個(gè)宇宙中心。
廣州日?qǐng)?bào)：這次的黑洞照片看起來(lái)與上次的M87*在周圍的亮點(diǎn)分布上看起來(lái)不一樣，這是為什么？
沈志強(qiáng)：大多數(shù)超大質(zhì)量黑洞被熾熱且明亮的氣體環(huán)繞。這些氣體發(fā)出的光線被黑洞強(qiáng)大的引力所彎曲，使得Sgr A*和M87*都呈現(xiàn)出亮環(huán)結(jié)構(gòu)。M87*尺寸巨大（是Sgr A*的1600多倍），氣體繞轉(zhuǎn)中央黑洞一周要花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間；相對(duì)而言，Sgr A*周圍氣體只需幾分鐘即可繞轉(zhuǎn)一周。黑洞周圍環(huán)境的快速變化使得Sgr A*在長(zhǎng)時(shí)間曝光情況下的成像呈現(xiàn)不同方位的亮斑分布。M87環(huán)亮的部分揭示了那部分氣體在向著我們運(yùn)動(dòng)，但是銀心黑洞環(huán)亮的部分位置尚不能得出確定的結(jié)論。
廣州日?qǐng)?bào)：我們了解到，您從1997年開始就參與到對(duì)銀河系黑洞的觀測(cè)之中，能否簡(jiǎn)敘其中的一些重要發(fā)現(xiàn)？
沈志強(qiáng)：是的，我們1997年的觀測(cè)主要是對(duì)來(lái)自銀心的輻射到達(dá)我們觀測(cè)者之間的星際散射效應(yīng)有了更好的定量估算，使得人們確認(rèn)在更短的觀測(cè)波長(zhǎng)（如，毫米波、亞毫米波）上將有望看清Sgr A*的真面目。隨后于2002年我們成功對(duì)Sgr A*開展了在3.5毫米的高分辨率成像觀測(cè)并測(cè)得其內(nèi)稟大小約為一個(gè)天文單位（一個(gè)天文單位是地球到太陽(yáng)的平均距離，約1.5億公里）。接下來(lái)就是在1.3毫米的觀測(cè)，為此全球科學(xué)家不懈努力，從首次探測(cè)到信號(hào)，到建設(shè)新的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡、提升觀測(cè)性能、并開發(fā)數(shù)據(jù)分析新技術(shù)等，歷時(shí)20多年，終獲這次發(fā)布的銀心黑洞首張照片。
廣州日?qǐng)?bào)：黑洞照片的發(fā)現(xiàn)對(duì)驗(yàn)證廣義相對(duì)論有哪些幫助？
沈志強(qiáng)：黑洞是廣義相對(duì)論的預(yù)言。我們看到的黑洞圖像實(shí)際來(lái)自于黑洞周圍等離子體的輻射，正是這些發(fā)光的氣體勾畫出了黑洞附近極度彎曲的時(shí)空，可以用于對(duì)廣義相對(duì)論的驗(yàn)證。
盡管兩個(gè)黑洞（M87*和Sgr A*）大小和質(zhì)量相差了1600多倍，但M87黑洞和銀心黑洞的陰影卻非常相似。這與愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)出奇一致。這些都提升了我們對(duì)銀河系中心所發(fā)生一切的認(rèn)識(shí)，并為了解超大質(zhì)量黑洞如何與周圍環(huán)境相互作用提供了全新視角。
神秘的黑洞：光也無(wú)法“逃逸”的天體
黑洞是時(shí)空曲率大到光都無(wú)法從其事件視界（event horizon）逃脫的天體。 沈志強(qiáng)曾在一場(chǎng)科普講座中這樣介紹黑洞：“高中物理就學(xué)過逃逸速度的概念，比如地球的逃逸速度是11.2KM/s，也就是第二宇宙速度，在地球周圍運(yùn)動(dòng)的物體，如果速度小于逃逸速度，就無(wú)法掙脫地球引力，永遠(yuǎn)都在地球的控制范圍內(nèi)；但當(dāng)物體超過這個(gè)速度，地球就無(wú)法再抓住它。類比黑洞，因?yàn)橐ψ銐虼螅谒浇奈矬w即使達(dá)到光速都無(wú)法掙脫黑洞引力，被永遠(yuǎn)‘封印’住?！?/p>
沈志強(qiáng)表示：“黑洞的概念離不開愛因斯坦在1915年提出的廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論告訴我們一個(gè)簡(jiǎn)單的道理，就是物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和時(shí)空是不可區(qū)分的，物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空則告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。到目前為止，所有的觀測(cè)都無(wú)法證明廣義相對(duì)論是有問題的。1915年，廣義相對(duì)論提出后不久，就已經(jīng)有人推算出黑洞這一當(dāng)時(shí)還存在于理論中的天體，而黑洞真正作為名詞出現(xiàn)是1967年。黑洞是非常致密的天體，它附近的任何輻射都不可能掙脫出來(lái)，所以中心永遠(yuǎn)是黑色的?！?/p>
沈志強(qiáng)說(shuō)：“我們描述黑洞非常簡(jiǎn)單，只要有質(zhì)量，我們就能知道它變成黑洞后的引力半徑。以太陽(yáng)的質(zhì)量來(lái)看，它要塌縮成6公里直徑的致密天體才能成為一個(gè)黑洞；而對(duì)于地球，則要縮到2厘米直徑，才能成為一個(gè)黑洞?！?/p>
銀心黑洞發(fā)現(xiàn)已有48年
要想證明黑洞確實(shí)存在，人類必須要能觀測(cè)到它。沈志強(qiáng)介紹，從20世紀(jì)六七十年代開始，天文學(xué)家們就開始了非常嚴(yán)肅地探討應(yīng)該怎樣找到黑洞。1971年，科學(xué)家林頓·貝爾和馬丁·瑞斯就發(fā)表了一篇文章，提到要找到黑洞，最簡(jiǎn)單的方式就是在人類所居住的銀河系中心尋找。文章還提到，使用VLBI技術(shù)（甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量）也許是可行的。“VLBI就是利用分散在全世界的多臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，共同進(jìn)行天文觀測(cè)。如今，VLBI技術(shù)經(jīng)過發(fā)展，能達(dá)到非常高的空間分辨率，幾乎是哈勃望遠(yuǎn)鏡的500倍。”
很快到了1974年，利用VLBI技術(shù)，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)在銀河系中心存在一個(gè)非常致密的天體。它隨后被公認(rèn)為研究黑洞物理的最佳目標(biāo)。
沈志強(qiáng)介紹，黑洞的視界半徑是0.08天文單位，VLBI是全球合作的EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡）項(xiàng)目的技術(shù)基礎(chǔ)，它結(jié)合世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡，使許多相隔數(shù)十萬(wàn)公里的獨(dú)立天線能互相協(xié)調(diào)、同時(shí)觀測(cè)同一目標(biāo)并記錄下數(shù)據(jù)，形成一口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，將望遠(yuǎn)鏡的角分辨率提升至足以觀測(cè)事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。EHT期望借此檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論在黑洞附近的強(qiáng)重力場(chǎng)下是否會(huì)產(chǎn)生偏差、研究黑洞的吸積盤及噴流、探討事件視界存在與否，并發(fā)展基本黑洞物理學(xué)。
值得一提的是，早在20世紀(jì)30年代，人類就“聽”到了銀河系中心的“聲音”。沈志強(qiáng)介紹，從伽利略到20世紀(jì)20年代，人類通常只能用眼睛觀察到光學(xué)波段的無(wú)線電信號(hào)。而射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明源自于一場(chǎng)“無(wú)心插柳”:20世紀(jì)30年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師央斯基想要提高美國(guó)到歐洲的無(wú)線電通話質(zhì)量，試圖排除其他無(wú)線電干擾所產(chǎn)生的噪音，于是他設(shè)計(jì)了一款天線，尋找無(wú)線電干擾的來(lái)源，這種天線就像游樂場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)木馬一樣在地面繞圈子。央斯基進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)這個(gè)噪音去不掉，因?yàn)樗皇莵?lái)自地球，而是來(lái)自宇宙，來(lái)自銀河系中央。
因此，“旋轉(zhuǎn)木馬”天線就是現(xiàn)代射電望遠(yuǎn)鏡的雛形，沈志強(qiáng)介紹：“現(xiàn)在我們了解到，人眼能感受到的電磁波也就是可見光從波段來(lái)講是非常窄的。但射電譜段卻是非常長(zhǎng)的。我們現(xiàn)在用的無(wú)線電、手機(jī)信號(hào)其實(shí)都處在射電譜段里，射電望遠(yuǎn)鏡能探測(cè)到的深空信號(hào)非常微弱，所以假如我們?nèi)⒂^FAST，是不許使用手機(jī)和wifi的，因?yàn)楫a(chǎn)生的無(wú)線電信號(hào)會(huì)對(duì)遙遠(yuǎn)太空的信號(hào)產(chǎn)生干擾?！?/p>
沈志強(qiáng)表示：“銀河系中心在可見波段上幾乎永遠(yuǎn)是漆黑一片，這是由于受到大量塵埃和氣體的遮擋，讓銀河系中心附近發(fā)出的1萬(wàn)億個(gè)光子中只有1個(gè)可以達(dá)到地球。但在其他波段，我們所看到的圖像完全不一樣。銀河系是一個(gè)橢圓星系，如果我們有一天能夠不斷地靠近銀心，那我們還是能觀察到，黑洞周圍還是有很多恒星在繞著它轉(zhuǎn)。在銀河系中心還有非常復(fù)雜的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)?！?/p>
“大科學(xué)需要大協(xié)作”：20多年專注研究一件事
沈志強(qiáng)從本科起到博士一直在天文學(xué)領(lǐng)域探索，他讀大學(xué)是在20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)國(guó)家還不具備財(cái)力和設(shè)備去支持開展自己的天文觀測(cè)，因此最初他更喜歡理論方面的研究，后來(lái)才慢慢迷上天文觀測(cè)?！坝^測(cè)可以起到?jīng)Q定性作用，比如驗(yàn)證一些理論，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論至今已有100多年，我們還要通過天文觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)他說(shuō)得對(duì)不對(duì)。”
20世紀(jì)90年代，沈志強(qiáng)開展博士后研究，他師從國(guó)際著名天文學(xué)家、美國(guó)國(guó)立天文臺(tái)名譽(yù)臺(tái)長(zhǎng)魯國(guó)鏞先生，“當(dāng)時(shí)魯國(guó)鏞先生給了我兩個(gè)課題去選擇，一個(gè)是我現(xiàn)在做的銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞Sgr A*觀測(cè)，另一個(gè)如今也是前沿課題，在恒星形成領(lǐng)域。最后，我選擇了前者?！?/p>
沈志強(qiáng)自此開始了與黑洞的不解“情緣”。在隨后的20多年時(shí)間里，沈志強(qiáng)與合作者對(duì)銀河系中心超大質(zhì)量黑洞開展了大量觀測(cè)。1997年，他使用分布在美國(guó)各地的10個(gè)25米口徑射電望遠(yuǎn)鏡組成的甚長(zhǎng)基線干涉陣，對(duì)Sgr A*開展了世界上首個(gè)五波段成圖觀測(cè)；2000年，他又遞交了全球首個(gè)在3毫米波長(zhǎng)對(duì)Sgr A*的觀測(cè)計(jì)劃并獲得成功，耐心等待了20個(gè)月，終于在2002年11月3日當(dāng)天，所有觀測(cè)點(diǎn)的天氣狀況達(dá)成了一致的良好條件，才進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)5小時(shí)的觀測(cè)。在完成大量的數(shù)據(jù)分析處理后，沈志強(qiáng)獲得了世界上首張3.5毫米波長(zhǎng)的人馬座A*的高分辨率圖像，這張圖像在確認(rèn)Sgr A*超大質(zhì)量黑洞的同時(shí)，更將該黑洞的“照片”縮小到直徑1.5億公里的范圍內(nèi)。2005年11月3日，該成果被《自然》雜志發(fā)表。
“我還是比較幸運(yùn)的，20多年里不斷地有成果可以發(fā)表，有些科學(xué)家可能做了10年都沒有很好的結(jié)果，但這可能并不是最重要的。我覺得做科研是個(gè)過程，在這個(gè)過程中，堅(jiān)持很重要?！鄙蛑緩?qiáng)曾對(duì)記者說(shuō)，“我經(jīng)常跟年輕學(xué)者說(shuō)，要給自己5到10年，潛下心來(lái)在一個(gè)領(lǐng)域認(rèn)認(rèn)真真做。很多世界一流成果，從開始從事研究到最后獲得公認(rèn)，往往是50年的時(shí)間投入，很多科學(xué)家?guī)缀跻簧荚谧鲆患?。所以如果你喜歡這件事就要堅(jiān)持，不要因?yàn)橐恍┰蚓头艞壛恕！?/p>
如今除EHT項(xiàng)目外，還有越來(lái)越多的國(guó)際科研合作項(xiàng)目正在開展?！按罂茖W(xué)需要大協(xié)作。”沈志強(qiáng)認(rèn)為，這是大勢(shì)所趨，“科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，既需要有牛頓、愛因斯坦這樣極其聰明的大腦，也需要各個(gè)國(guó)家在科研領(lǐng)域的相互協(xié)作。很多研究領(lǐng)域所需的人力、物力，已不是一個(gè)國(guó)家的能力所能及，需要全球科學(xué)家的參與?！?/p>
標(biāo)簽： 廣義相對(duì)論 廣州日?qǐng)?bào) 愛因斯坦 射電望遠(yuǎn)鏡
