人類對宇宙探索不止——訪中國科學院上海天文台台長沈志強

北京時間4月10日21點整，一場在全球六地同時舉行的新聞發布會正式宣布，事件視界望遠鏡（EventHorizon Telescope，簡稱EHT）已經成功獲得了超大質量黑洞的第一個直接視覺證據，人類終於窺見黑洞真容！

EHT是一個通過國際合作實現的、目前由八個地面射電望遠鏡組成的觀測陣列，旨在通過形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡來捕捉黑洞的圖像。該黑洞圖像揭示了距離地球5,500萬光年的室女座星系團中星系Messier87（M87）中心的黑洞。這一刻，天文學界為之振奮！人類為之震撼！

在這次重大的科學探索中，作為中國大陸的主要參與者和協調者，中國科學院上海天文台承辦了EHT在中國大陸的新聞發布會，共同見證了首張黑洞圖像。中國科學院上海天文台台長沈志強激動地表示：“對M87中心黑洞的順利成像絕不是EHT國際合作的終點站,我們期望也相信在不久的將來EHT會有更多令人興奮的結果。”

文｜本刊記者 馮琳

圖為4月10日召開的EHT首張黑洞圖像全球新聞發布會中國上海會場，沈志強介紹相關情況

不斷發掘更多黑洞觀測目標

記者：據悉在銀河系內，人類已發現了20多顆恒星質量的黑洞，距離地球最近的3,400多光年，為何EHT捨近求遠選擇5,500萬光年之外的M87 中心的黑洞為此次觀測的目標？

沈志強：這個原因其實蠻簡單的。天空可觀測的目標從根本上說是數不清的，而且它們通常離我們都非常遙遠。我們觀測無非取決於两個因素，一個是“看得見”，另一個是“看得清”。一般來說選擇天文觀測目標首先要足夠亮，即基於以往的已有觀測研究，我們知道能夠檢測到它發出的信號，即“看得見”。另外，它的尺寸要足夠大，從而能被我們分辨出來，是為“看得清”。

因此基於這两個考慮，再基於我們前期積累的認識，特別是包括對愛因斯坦廣義相對論的理解，我們要看到或者說要第一個去探索可能的黑洞圖像的話，首選觀測目標不外乎两個——一個就是距離地球5,500萬光年之外的M87星系，另一個實際上是我們更感興趣的人類所在的銀河系中心的黑洞（SgrA*），距離地球26,000光年。

在天文學觀測中，我們是以觀測目標對我們所張的角的大小來判斷其大小，從地球上看過去張角越大的越容易觀測。因為黑洞的陰影大小正比於它的質量，所以黑洞質量越大，黑洞陰影就越大。M87中心的黑洞質量巨大，為太陽質量的65億倍，是從地球上看過去張角最大的黑洞之一，理所當然地成為EHT觀測的一個最佳目標。另一個具有類似最大張角的是我們銀河系中心具有400萬倍太陽質量的黑洞。兩者都恰好能被20微角秒分辨本領的EHT觀測看清。實際上，在2017年和2018年兩個觀測季，EHT對這兩顆源都開展了詳盡觀測，此次發布的僅是2017年4月M87中心黑洞的成像觀測結果。

記者：那麼下一步，除了繼續觀測這兩個黑洞外，EHT還會拓展其他的觀測目標嗎？

沈志強：我有一個同事雖然沒有參加EHT國際合作，但他也非常關注，並跟我討論說他發現另外一個目標也可以去觀測。所以我的回答是肯定的，M87中心黑洞的觀測只是一個開始，今後會逐漸對更多的目標開展觀測。因為我們現在已經知道相關理論是可靠的，那麼我們就有信心通過理論去做一些預言，然後再研究如何設計觀測去證實預言。我想將來會有更多的這方面研究，無論是黑洞圖像還是黑洞相關物理研究方面的進展，應該都是值得期待的。

北京時間4月10日晚9時許，包括中國在內，全球多地天文學家同步公布了黑洞“真容”。該黑洞位於室女座一個巨橢圓星系M87的中心，距離地球5500萬光年，質量約為太陽的65億倍（圖：EHT官方網站）

EHT解析度達到了前所未有的高度

記者：EHT究竟是怎樣給黑洞完成拍照的？所採用的關鍵技術有哪些？

沈志強：EHT由8個至少可以工作在230GHz頻率（或者1.3毫米波長）的亞毫米波射電望遠鏡組成，這些望遠鏡分布在全球6個高海拔地區，包括美國夏威夷和墨西哥的火山、美國亞利桑那州的山脈、西班牙的內華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。雖然這些射電望遠鏡沒有物理上連接，但借助氫原子鐘精確計時，各台望遠鏡實現了觀測和數據記錄的同步性，同時利用地球自轉，就形成了一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡，即我們所說的“事件視界望遠鏡”（EHT）。

EHT的每一台望遠鏡都產生了大量的數據，每天約生成350太字節的數據。這些數據被存儲在高性能的充氦硬碟上。隨後，這些數據被運至被稱作相關處理機的高度專業化超級電腦上進行合併處理。最後，合作開發的新型計算工具將精心處理這些合併後數據並用來轉換為圖像。

EHT觀測所使用的技術叫做甚長基線干涉測量技術，英文縮寫是VLBI，這項技術在1967年被首次驗證成功，它最大的優勢是能夠提供超高的空間角分辨率。這次觀測，EHT的分辨率達到了20個微角秒。它相當於什么？人眼的分辨率大約為1角分，EHT的分辨本領是我們人眼的3百萬倍，相當於在地球上可以看清月球上一個蘋果，又或者相當於在我國最北端城市漠河能夠閱讀在南沙群島上的一張報紙。

另外，我們知道通常情況下一個望遠鏡越大，其接收面積也越大，接收暗信號的能力也越強。但是構成EHT的這八個望遠鏡總的反射面面積還是非常有限的，所以可以說這個如地球一樣大的虛擬射電望遠鏡絕大部分實際上是空的，僅在八個亞毫米波望遠鏡所在地有接收信號的反射面。而我們給黑洞拍照其實是一個圖像的重建，受限於有限的望遠鏡得到的信息量很少，我們在構建圖像的時候，必須充分利用已有的知識和其它的理論模型等等來對圖像重構進行約束，這也是我們要花很長時間來完成數據分析和解析的一個重要原因。

記者：大家比較好奇我們國家的“天眼”望遠鏡為什麼沒有參與EHT，未來有沒有可能參與黑洞觀測？

沈志強：EHT是一個亞毫米波射電望遠鏡干涉陣，工作波長為1.3毫米，接下來EHT還將在更短的波長0.8毫米上實現黑洞成像，而“天眼”望遠鏡是工作在波長的長端——如米波上，顯然EHT和“天眼”沒有共同的工作波段，因此“天眼”是不可能與EHT共同組網觀測。

“天眼”的觀測更多會與平方公里陣列項目（SKA）有關，SKA從規模上其實比EHT要大好多，是由十來個國家包括我們中國共同建設的一個未來世界上最大的望遠鏡，2019年3月12日，中國、澳大利亞、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非、英國共七國政府在意大利首都羅馬簽署了國際SKA組織天文台公約，為SKA開始進入建設階段奠定了堅實的基礎。SKA是繼國際熱核聚變實驗堆（ITER）之後中國參與的第二個國際大科學工程。SKA有其特別關注的重大科學問題。比如，SKA可以解答包括宇宙的起源，以及我們現在非常感興趣的暗物質、暗能量和引力波等這方面的疑惑和問題。

超大黑洞示意圖。質量達數百萬到數十億個太陽的超大質量黑洞，四周的吸積盤由被其引力吸引而來的宇宙灰塵和氣體構成（圖：JPL-Caltech／NASA官方網站）

EHT國際合作中國始終參與其中

記者：這次偉大的科學發現經歷了怎樣的規劃、啟動和實施歷程？

沈志強：如果從概念的提出起算，EHT至今大約有將近20年的歷史了，我自己進入這個領域也正好是20多年前，深深感受到實際上這個研究大家是一步一步走過來的。

在EHT組建之前，我們地球上有一些其他可用來做VLBI干涉成像的設備，但是這些設備的觀測波段還長了一点。在項目逐漸推進的過程中，如果我們相信廣義相對論理論和已有的觀測測量，其實我們已經可以得到這個黑洞可能的尺寸是多少。有了這個概念，我們就會去考慮用地球上現有的望遠鏡組網觀測，並且能夠估算出要到哪一個波長上（即現在的1.3毫米波長），我們才可能去獲得黑洞圖像。所以差不多在2000年的時候，就有科學家從概念上提出要組建EHT，但是當時無論是觀測設備或是技術手段應該說還沒有完全成熟。

這些年，相關團隊包括我本人一直在把觀測波段從長波向短波推進。在2002年我們做了一項工作，利用位於美國的VLBA陣觀測銀河系中心黑洞，觀測波長最短到了3.5毫米，得到了很好的結果，“發現了銀河系中心人馬座A*是超大質量黑洞的最新證據”並入選“2005年度中國基礎研究十大新聞”。但是，我們發現觀測要繼續往前推進，就必須要到更短的波長上。EHT這一次的全球觀測中，觀測波段已經達到了1.3毫米。

大概到了2009年，世界各國相關的研究人員都有共識要發起EHT項目。所以從十年前開始，隨著時間的推進，我們把現有的八個望遠鏡逐漸武裝起來，使它可以做成1.3毫米的VLBI觀測設備。這整個過程其中包括經費的爭取，是一個很大的國際合作，其實一開始經費申請並不順利。今年4月10日發布的黑洞圖像，實際上是2017年的觀測結果。但2017年科學觀測的申請是在一年前，即2016年。差不多也是在2017年的時候，因為經費的到位，使得EHT國際合作團隊正式組建了，這是一個非常大也非常開放的國際合作團隊，包含來自亞洲、非洲、歐洲、北美洲和南美洲的200多名研究人員。

EHT的每一次觀測都要提前一年去籌劃，目前我們正在籌劃2020年的觀測安排。

記者：中國對黑洞的探索之旅歷經了怎樣的發展？中國科研團隊在這次國際合作中主要承擔了哪些技術工作？

沈志強：對黑洞成像的觀測工作，從時間上說大概有將近20多年的发展過程。實際上我們中國團隊包括我本人一直在關注黑洞的觀測工作，我們也有同事在黑洞物理的理論和模擬研究方面做出了很好的工作，並且這些觀測和理論相關工作都具有很好的國際顯示度。

我剛才提到，大概十年前在推動EHT國際合作的時候，我們也是從一開始就積極地參與。包括每一次的科學觀測申請都要提前一年來籌劃，其實我們每一次都參加了。另外，我們還共同運行了EHT中一個位於夏威夷的望遠鏡，在2017年和2018年我的同事到現場參與觀測。觀測後的數據處理和理論分析工作，我們也都參與了。所以儘管我們國家對EHT項目的經費投入不是很大，但是從科學研究、從整個項目的參與度來看，我們是一直參與其中的。

EHT共有13個合作機構，由中國科學院國家天文台、紫金山天文台和上海天文台共同建立的中國科學院天文大科學中心是EHT一個合作機構的成員。上海天文台牽頭組織協調國內學者，通過該合作機構參與EHT觀測國際合作。

記者：這一次有沒有香港方面的參與呢？

沈志強：據我了解，EHT現在整個合作團隊裡面暫時還沒有直接來自香港的大學或者研究單位的。但我也認識一些香港的科學家，他們對這個科學研究還是很感興趣的，只是可能還沒有直接地參與到這個合作中。不過EHT的合作還是相對非常開放，所以如果將來有機會，我認為香港方面也有可能會參與進來。

除了吞噬物質，歐洲南方天文台甚大望遠鏡進行的觀測證實，超大質量黑洞會噴射出強勁物質外流，其中有新的恆星形成（圖：歐洲南方天文台ESO）

更多理論應用和後續觀測值得期待

記者：您剛剛談了很多黑洞成像對科學發展的影響和意義，包括證實了100年前愛因斯坦的廣義相對論。那麼，這次科學探索與我們人類的現實生活有何關聯？

沈志強：其實我們該幹嘛還幹嘛，不會對人類的生活產生什麼直接的影響。但是我認為不可低估的是，它會對我們的一些人生認識產生很積極的意義，起碼我們的理論能夠經受住這麼一個檢驗，然後這些理論可能慢慢地會應用到我們的生活裡去。

比如說，我們現在日常生活中使用的北斗衛星導航系統等，它能隨時精確定位咱們在哪。但是大家可能不了解，這種定位服務實際上已經應用到了廣義相對論理論。因為按照廣義相對論理論，在地球表面與太空，時間走得快慢是不一樣的。而我們所謂的定位其實就是定時間，比如要確定你的位置就是算出我到你那光線傳播所需的時間，然後我就能根據我的位置推出你的位置。但假設天上的鐘跟地球上的鐘時間不同步的，那么肯定就會影響定位的精度。一般認為，如果沒有廣義相對論的應用，大概一天定位的精度誤差可以達到十米。所以包括將來的深空探測等等，廣義相對論理論是必須要考慮的。

記者：這次EHT國際合作讓人類終於見到了黑洞的真容，您作為中方主要參與者有什麼感想？

沈志強：我個人的感受是覺得等了好久，雖然在某種意義上真到了圖像公布的那一刻反而沒有特別的感觸，但應該說從心理上確實還是感到很振奮。這次的成果說明我們人類只要聯合起來，就能夠把一些事情做到最好。

從科學探索角度來看，黑洞照片證實了愛因斯坦100年前的理論，宇宙那麼大，但是人類還是能夠想著辦法把它一塊一塊像拼圖那樣拼出來，最後搞清楚宇宙到底是怎麼回事。這樣一想會覺得還是蠻開心的，因為能看到有這麼一個好的結果。當然實際上後面我們還有更多的工作要開展，還有其他的目標要做更多的觀測，還有更多的物理現象要去理解，所以接下來應該有更好的工作可以值得期待。

記者：目前輿論認為EHT拍攝的首張黑洞照片有望拿下諾貝爾獎，您對這個項目參選諾獎有什麼期待嗎？

沈志強：這個問題我不會去評論，我覺得這是一件順其自然的事情。這次黑洞照片公布後的影響力其實已經出乎我自己一開始的判斷，在我看來這就是一個科學工作。所以可能要慢慢地等到時間久了、一些表面的東西褪去之後，你才會意識到它的真正價值。

本文發表於《紫荊》雜誌2019年5月號

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責編：莫潔瑩、趙珊

編輯：史帥、周琦、李博揚、連柳蕙