给黑洞拍照的年轻人
来源：中国青年报 2023-05-22 12:03:27
还记得4年前发布的那张M87黑洞写真照吗，酷似一个“甜甜圈”。如今，经过科学家的努力，黑洞有了全景照，从“甜甜圈”变成了“鸡爪子”。
16台射电望远镜连起来，组成了一台口径等效于地球直径的望远镜。这是人类首次在3.5毫米波长对M87黑洞周围的环状结构进行成像，可以说拍到了黑洞的全景照，乍一看像“鸡爪子”。图像表明了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系，相关成果近日在国际学术期刊《自然》发表。
(资料图)
完成这项工作的，是由中国科学院上海天文台研究员路如森领衔的国际合作团队，成员来自17个国家和地区、64家研究单位，共计121位。团队中不乏一些80后、90后的身影，记者采访了这个充满朝气的年轻团队，听听他们给黑洞拍照背后的故事。
“这是星际旅行中会看到的风景”
在这张最新的全景照上，有黑洞，有黑洞周围的吸积流，还有从吸积盘附近延伸向远处的喷流“尾巴”。M87黑洞在这张3.5毫米的图像上，呈现出令研究者感到意外的“甜甜圈”形态，比此前那张在1.3毫米拍摄到的旧“甜甜圈”大了近50%。
“可以想象一下，假设我们在进行星际旅行，在朝着我们的主角M87黑洞前进，那这张照片呈现的，就是我们在旅程上所看到的风景。”论文第一作者路如森说。
新照片的拍摄时间是2018年4月14日至15日，被拍摄的对象M87黑洞，位于梅西耶87星系，即室女座星系团中央巨椭圆星系的中心，距离地球约5500万光年，是太阳质量的65亿倍。它有着长达5000光年的喷流，“非常上相”。
“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图。”路如森说，“我们之前看到的环状结构在3.5毫米波长变得更大、更厚。这表明在新的图像中，可以看到落入黑洞的物质产生了额外的辐射。这使得我们能够更全面地了解黑洞周围的物理过程。”
据他介绍，黑洞周围的物质，被认为是在吸积的过程中落入黑洞的。在这之前，从来没有人直接对它进行过成像。
这一回，参与拍摄的望远镜包括全球毫米波甚长基线干涉测量阵列(GMVA)的14台射电望远镜，位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)，以及位于格陵兰岛的格陵兰射电望远镜(GLT)。
据研究团队介绍，GMVA测得的环状结构直径为64微角秒，相当于“月球上的宇航员回望地球时，看到一个13厘米的环形补光灯”的大小。
“观测波长越短，观测条件对天气的要求就越高。每年的观测时间都是相当有限的，观测时间的申请也竞争得非常激烈，团队要代表这个领域最前沿的水平。”中国科学院上海天文台副研究员江悟对中青报·中青网记者说。
江悟的工作是对观测到的数据进行处理。据他介绍，拍照时需要全球范围协同观测，所以，要求所有台站的观测天气观测条件都合适，综合考虑下来，最合适的时间通常是4月，“南北两个半球都适宜”。
他告诉记者，在争取到“巨无霸”级的望远镜ALMA加入观测阵列后，整个团队的人，都对拍摄结果“抱有很高期待”。
在对数据进行处理后，“前所未有的新特征”被呈现了出来，这让研究团队的成员都倍感兴奋。在这之前，很多人认为在这个波长上不会看到“甜甜圈”。路如森承认，就连他自己也没有想到。
“通过在GMVA观测中加入ALMA和GLT，大大提高了成像能力，我们获得了一个新的视角。我们确实看到了我们在早期VLBI观测中了解到的三齿状的喷流。”位于德国波恩的马普射电天文研究所的托马斯·克里奇鲍姆说，“现在我们可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的，而且我们现在也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径。”
“要用物理学的方式来解释‘甜甜圈’”
来自M87黑洞的射电辐射，是由高能电子和磁场的相互作用产生的，这种现象被称为同步辐射。在3.5毫米波长，新的观测结果揭示了有关这些电子的位置和能量的更多细节。它们还告诉研究者一些关于黑洞本身的性质：它不是“很饿”，消耗物质的速度很低，只将其中一小部分转化为辐射。
此外，在靠近黑洞的内部区域，辐射的宽度比预期的要宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入，也可能“有一股风吹出来，造成黑洞周围的湍流和混乱”。
为了解这个更大、更厚的“亮环”的来源，研究者们不得不使用计算机模拟测试不同的情况，最终得出结论，“亮环的较大范围与吸积流有关”。
在将“生数据”处理成“熟数据”的过程中，研究团队前后做了4次相关分析，“克服来来回回返工的煎熬”，最终得到了最可靠的“熟数据”。
从“熟数据”重建观测图像，也遇到了“前所未有的挑战”。新照片是一张视场很大的图像，里面包含着许多成分，且这些成分的亮度差异很大。团队汇聚了遍布全球各地许多合作者的经验，在各种尝试和反复验证之后，最终克服了这些困难。
阵列中的格陵兰望远镜，是一台新的射电望远镜，参与观测时还在调试阶段。在观测过程中，这台望远镜的相位旋转器配置错误。团队是在事后才发现这一问题，不得不在处理数据时，专门开发特别的算法来解决这个问题。
杨海是中国科学院上海天文台团队里最年轻的成员，他的工作就是用物理学的方式，“想办法去解释”观测到的数据。他是一名90后，是黑洞吸积与高能天体物理研究组的一员，也是研究员袁峰的学生。
“我们得到黑洞喷流的运动速度、密度，还有旁边磁场强度这些数据，然后用计算机模拟它到底长什么样。最后思考它的理论模型怎么构建，找出它的理论解释。”杨海对中青报·中青网记者说。
2014年，电影《星际穿越》上映时，一向对科幻感兴趣的他坐在电影院里，面对大荧幕上模拟出来的黑洞深感震撼。当时的他并没有预料到，没过几年，自己的工作会与黑洞息息相关。但对天文学、黑洞的兴趣，于他而言却一如既往。
作为该领域的“新手小白”，杨海跟随老师们给黑洞拍照，在这个过程中，他难免紧张，在团队的群里基本不用年轻人常用的那些表情包，也尽量不说时下流行的网络语言。
不过在线下讨论时，这位90后反而没那么紧张了。他会大胆地提出自己的想法，然后认真聆听老师们的意见，“告诉我这样做好不好，是否值得花时间尝试”。
从家到单位，杨海保持着两点一线的生活，也保持着坐在基础研究“冷板凳”上的耐心。偶尔他也会注意到，有同学毕业后进了技术类的公司，拿着比他高几倍的工资。他的内心并不会因此起太多波澜，他认为，研究上能出成果，对他而言更加重要。
“将来我们还要给黑洞‘拍电影’”
用路如森的话说，后续的工作，还包括给M87黑洞“拍动画”，甚至“拍电影”。
人类将目光投向M87，最早可以追溯到1781年。彼时，法国天文学家夏尔·梅西耶发表了著名的梅西耶星表，里面包含103个星云状的天体。梅西耶以字母M加数字为这些天体命名，M87就是其中之一，其含义为“梅西耶星表中的第87个天体”。
然而直到100多年后，人类才意识到M87并不是星云，而是一个星系。天文学家看到“一束奇怪的直射线从一片朦胧的光斑中心发出”，那是人类历史上第一次观测到天体中的喷流。而事件视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)2017年成功拍摄到M87星系中心超大质量黑洞的照片，则又是一个世纪之后的事了。
人类对仰望星空的过程充满好奇心，也历尽艰辛，但从未停止。对M87的探索，也并没有结束。
“此次展现的3.5毫米波长图像，可以说代表了当前的最新成就。但为了揭示M87中央超大质量黑洞及其相对论性喷流的形成、加速、准直传播的物理机制之谜，我们需要拍摄更多色的高质量图像，包括在0.8毫米或更短的亚毫米波波长的黑洞照片，以及在长至7.0毫米波长的黑洞和喷流的全景图像，未来非常令人期待。”中国科学院上海天文台台长沈志强研究员说。
进一步的观测和更强大的射电望远镜阵列，将继续揭开它的神秘面纱。未来，毫米波观测将研究M87黑洞的时间演变，并通过结合不同颜色的“射电光”图像，来获得M87中心黑洞区域的多色视图。
“这次我们用到的毫米波技术，在通信等领域，都是可以用上的；望远镜建造也涉及结构、机械设计等方面的前沿技术，未来也可以转化。从这个角度上说，我们现在做的很多工作，在促进科学应用方面是有帮助的。”江悟对中青报·中青网记者说。
江悟是一名从事科研工作10多年的80后，在他看来，基础研究跟现实生活之间，往往是看上去没什么关系，实际上只有基础研究不断往前推进，才能带动最前沿、最先进的技术发展，并以此改进人类的生活生产方式。
江悟也曾参与首张黑洞照片的“拍摄”，如今又获得了喷流整体图像的新照片。他觉得，这些年的经历对他来说“很特殊”。
“我喜欢追究事物的本质，更希望去进行基础研究。”他对记者感慨，“如果我做的工作，能够对这个领域有一定的贡献，还能取得一定的科学成果，这就是最让我满足的事了。”
中青报·中青网记者 张渺 来源：中国青年报
