黑洞之影丨首张黑洞照片与上海天文台

2019年4 月10日，这一天在人类认识宇宙的历史上注定会是极不寻常的一天。

那个晚上，北京时间21时07分，我和同事们在上海天文台，与来自中国台北、日本东京、美国华盛顿、智利圣地亚哥和比利时布鲁塞尔的天文学家一道发布了人类拍摄到的第一张黑洞照片。

这是我们人类第一次“看见”黑洞。

图：M87*星系中心黑洞照片

黑洞，宇宙中最神秘的存在，具有最极端的物理环境，可以说是天文学研究的宠儿，这一点从近年来颁发的诺贝尔物理学奖就可窥见一斑。

2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到黑洞并合产生的引力波，领导这项研究的雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）荣获2017 年诺贝尔物理学奖。

2020 年，诺贝尔物理学奖再次青睐黑洞研究，将奖项颁发给罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）、赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德里亚·格兹（Andrea Ghez），以表彰他们对黑洞理论和观测研究做出的杰出贡献。

图：2017物理诺奖得主——雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne）

数十年来，大量观测证据均支持黑洞的真实存在。然而由于黑洞自身不发光，难以直接探测，因此天文学家始终只能停留在 对黑洞形象的理论猜测，直到20世纪90年代后期也鲜有人研究一个真实黑洞的外观模型。

在第一张黑洞照片发布之前，公众最熟 悉的“可见”黑洞也许是来自科幻电影《星际穿越》，导演克里斯托弗·诺兰（Christopher Nolan）与索恩合作创造的超大质量黑洞“卡冈图雅”的形象震撼了全球亿万观众。

图：电影《星际穿越》卡冈图雅剧照

然而，“卡冈图雅”毕竟只是一个艺术设定，黑洞的真实面貌究竟如何仍是一个科学谜团。通过探测黑洞，天文学家不仅能够检验广义相对论，深入了解黑洞的性质，还能从中探索宇宙和星系演化的奥秘。

尽管面临着重重困难，世纪之交之时，一些天文学家开始跃跃欲试，希望能一窥黑洞的庐山真面目。

2019年在世界六地同时发布第一张黑洞照片的天文学家有一个共同的身份， 他们都来自事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）合作组织，而这张照片正是由事件视界望远镜拍摄的。这里的“事件视界”来自黑洞物理学，指的是物质和光都无法逃脱的黑洞“边界”。事件视界望远镜实际上并非指某台特定的望远镜或望远镜阵列，而是指世界多地的射电望远镜联合观测所能形成的一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜。

从提出拍摄黑洞照片之初， 天文学家就瞄准两个目标M87*和Sgr A*。这两个黑洞各具特点：

超大质量黑洞M87*位于距离地球5500万光年的室女座椭圆星系M87中，质量大约相当于太阳质量的65亿倍；

超大质量黑洞Sgr A* 则位于银河系中心，质量约为太阳质量的400万倍，比前者小得多，同时也近得多，距离地球约为2.7万光年。

图：电影《星际穿越》剧照

发起事件视界望远镜的天文学家们在2007年开始了观测尝试，此后陆续开展了一系列观测。2012 年，参与事件视界望远镜观测的研究人员举行第一次会议，这以后经过多年的不懈努力，终于在2017年4月，观测网络中的射电望远镜的数量和分布、观测排期以及各望远镜所在地区的天气条件都满足要求，具备了拍摄黑洞的条件，合作组织决定启动观测。

正是这一次观测，让我们获得了两个目标黑洞的照片，人类终于窥见黑洞的真容。

1919年，阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）领导的日全食观测拉开了验证广义相对论的序幕，一个世纪后的首张黑洞照片再次对广义相对论进行了检验。

2019年发布的首张黑洞照片的主角是M87*。三年后，2022年5月12日21时，事件视界望远镜合作组织又在中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿、智利圣地亚哥、墨西哥墨西哥城和德国加兴同时发布了另一主角、位于银河系中心的Sgr A*的首张照片。

根策尔和格兹获得诺贝尔物理学奖的理由是“发现了银河系中心的超大质量致密天体”，这里的“致密天体”指的就是这个黑洞。

图：Sgr A*黑洞照片

正如大型强子对撞机寻找希格斯玻色子、激光干涉引力波天文台探测引力波等伟大的科学探索一样，这一次的黑洞拍摄之旅也同样饱含挑战与奇迹。作为一名亲历者，我尤其知道拍摄黑洞照片背后的故事有多么精彩，多么值得被传颂。

因此，我由衷感谢资深科学作家塞斯·弗莱彻（Seth Fletcher），他的作品《黑洞之影》生动地呈现了一群天文学家拍摄第一张黑洞照片背后的精彩故事。他从2012 年起开始跟踪该计划并持续了近6年，期间他做了大量的采访，收集到丰富的一手资料，讲述了很多我也不曾了解的细节，读来充满惊喜。

图：《黑洞之影》塞斯·弗莱彻（Seth Fletcher）著

弗莱彻在书中简要回顾了人类认识黑洞的历史，穿插交代了有关黑洞的基本知识，这些内容可以帮助不熟悉相关背景的读者更好进入主题。读者即便对黑洞物理学不甚明了，也能从他笔下的人物对话和心理活动中感受到天文学家的喜悦和苦恼，并从项目实施的层层推进中观察现代大科学计划的运作方式。

让我尤感亲切的是，我和书中提及的很多天文学家是相识多年的好友，如谢珀德·多尔曼（Sheperd S. Doeleman）和海诺·法尔克（Heino Falcke），等等，吉姆·莫兰（James Moran）更是我在哈佛-史密森天体物理中心求学时的导师和终身的科研益友。阅读中，诸多往事浮上心头，我也得以重温那些难忘的岁月。

很高兴看到弗莱彻在书中提到我和合作者在2005年发表在《自然》上的一项研究成果，当时我们利用甚长基线干涉测量技术（也就是事件视界望远镜拍摄黑洞照片使用的技术）发现了Sgr A* 是超大质量黑洞的最新证据。事实上，我和合作者早在25年前就投身于Sgr A* 的观测研究，这为我们参与事件视界望远镜合作打下了基础。

图：上海天文台 天马望远镜

弗莱彻在《黑洞之影》的后记中提到，2017年4月的拍摄完成后，合作组织的科学家们开始进行数据分析，并在本书英文版出版的2018年时又完成新的拍摄，也对后续工作有所展望。

在此，请允许我补充本书英文版出版后，在两张黑洞照片发布之外的一些事件视界望远镜观测进展：

因为各种原因合作组织在2019年和2020年没有安排观测，在2021年重新开始了观测。2022年，事件视界望远镜顺利完成了新一轮观测，与2017年的观测相比，这次观测参与的望远镜更多，数据记录带宽也更宽，从而提升了阵列的观测灵敏度，辅之以不断改进中的数据处理技术，我们非常期待获得更为丰富详实的黑洞信息。

第一张黑洞照片的发布是来自数十个研究机构的数百位科学家共同努力的结晶，其中中国科学家也做出了重要的贡献。有16位中国大陆科研人员参与了第一张黑洞照片的合作研究，其中有10位科学家在2019年来到了上海发布会的现场。

未来，随着更多亚毫米波望远镜的加入，事件视界望远镜将有望对Sgr A*开展24小时不间断的接力成像观测。我们中国科学家已经提出建设亚毫米波射电望远镜的计划，希望以此加入到全球的接力观测中，对破解银河系中心黑洞之谜做出更大的贡献。

最后，感谢湖南科学技术出版社将《黑洞之影》及时引进到国内，感谢苟利军研究员、赵雪杉博士和冯叶博士，他们辛勤工作，精心将这本精彩之作译成中文，让更多国内读者了解黑洞之影背后鲜为人知的故事，从而在心中增添对科学的热情和对宇宙的敬畏。

图：《黑洞之影》

愿这本书能给您更多的思考和启迪，并激发您对科学和未知世界的好奇心。

沈志强

中国科学院上海天文台台长、研究员

事件视界望远镜合作组织中国大陆协调人

*本文来自《黑洞之影》推荐序

《黑洞之影》

赛斯·弗莱彻 著

《科学美国人》的首席特写编辑，

《超级电池、电动汽车和新锂经济》的作者。

他与妻子和女儿住在纽约下哈德逊河谷。

《黑洞之影》

内容介绍

拍摄黑洞听起来不可能，甚至是自相矛盾的，但天文学家谢普·多尔曼和一个全球科学家联盟正在实现这个梦想。他们组装了事件视界望远镜系统，这是一个地球大小的虚拟射电天文台。作者赛斯·弗莱彻花了五年时间跟踪科学家们的工作，见证了他们的努力、挫折和突破。作者带我们进行了一次令人难以置信的冒险，我们将了解银河系的复杂性、人类感知和知识的边界，以及现实的科学事业是如何运作的。

《黑洞之影》讲述了一群科学家历经数十载，拍摄了第一张黑洞照片，对爱因斯坦的相对论进行了终极检验的冒险故事，并帮助回答了关于空间、时间、宇宙起源和实在本质最深层次的问题。

文章来源：第一推动