除了给黑洞“拍照”还计划“拍电影”，天文学家是如何做到的

活跃星系中心的超大质量黑洞，是宇宙中最具破坏性且最神秘的天体之一。它们引力巨大，通过吸积盘“吃进”大量物质，同时也将物质以接近光速的高速“吐出”到数千光年以外。然而，超大质量黑洞、吸积盘和喷流之间的能量传输机制是怎样的？这是一个困扰了物理学家和天文学家一个多世纪的难题。

中国科学院上海天文台研究员、“高分辨率射电天体物理”课题组组长路如森和他的同事们就是探究这些难题的科研工作者。

2018年回国加入上海天文台的路如森，除了与合作者于2019年、2021年和2022年在M87星系中心成功捕获人类首张黑洞照片、偏振图像以及银河系中心黑洞的首张照片外，去年4月他还牵头国际团队拍摄了M87黑洞的首张全景图，首次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，相关成果发表在《自然》杂志上。

“当时国际上黑洞成像研究这个领域已有较多积累，但国内的基础还相对薄弱。回国也是觉得我应该还能在这个领域做些什么。”在近日接受第一财经专访时，路如森说道。

除了给M87黑洞、银河系中心黑洞拍照片，路如森和同事们还在计划拍摄其他黑洞照片，以及拍“黑洞彩色照”、黑洞“电影”。“我们看到的黑洞照片，它周围的结构会随着时间变化吗？会随着（观测）频率变化吗？有时候为了方便介绍，我们也会用颜色来描述，这个颜色就代表了观测的频率。这是我们未来主要的研究方向，也是正在做的事情。”

研究黑洞有哪些意义

谈起宇宙中的黑洞，人们第一感觉就是距离我们的生活很遥远，实际上并非如此。

以往的天文观测已经提供了许多关于黑洞存在的间接证据，并且人们也熟知在离黑洞相对较远的距离，有很多现象已经需要运用广义相对论效应来解释。

路如森告诉记者，给黑洞拍摄照片最终的目的，就是验证爱因斯坦的广义相对论。“只有在这些极端的情况下去验证，你才可能需要新的理论。这些新的理论，对我们未来的生活非常重要。”路如森举例道，我们每天在用的手机导航，如果广义相对论不正确的话，就没法实现导航，但是这种隐藏在生活日常方方面面的功能大家平时是注意不到的。

而在黑洞照片成果的背后，最重要的一环莫过于“洗照片”。

去年，他和团队发表在《自然》上的新成果，就首次将M87黑洞的阴影以及其周围吸积流和喷流呈现在同一张照片之中，而这张全景图其实在2018年4月14日至15日就已经拍好。在初步处理数据后，他们在数据中注意到了前所未有的新特征，这给团队成员很大激励。经过了复杂的数据处理和成图过程，及反复验证和确认结果，最终在五年后这张新图像得以呈现。

他解释，运用VLBI（甚长基线干涉测量）观测黑洞，实际上还是比较复杂的，拍照的时间可能就5个小时甚至是10个小时。但是“洗照片”的过程，包括后边的理论解释，花的时间就要多得多，这就是为什么他们往往会花数年的时间才能得到这样一张照片。

不过，当科学研究进展到一定程度，业界达成一致共识并非易事，尤其是在需要国际合作的黑洞领域。

以上述《自然》中的照片为例，就是将16台射电望远镜连起来，组成一台口径等效于地球直径的望远镜。这一由中国学者领衔的国际合作项目，成员来自17个国家和地区的64家研究单位，共计121位。

“我们的工作往往都涉及国际合作，一旦涉及国际最前沿的东西，合作就没有一般的常规合作那么顺利，这个过程比较煎熬。”当研究结果受到国外学者质疑时，路如森与合作者就会一遍遍地检查数据分析结果，开发新算法去解决科研难题，“科学需要辩论，已有研究的‘天花板’需要打破，更要发出‘中国声音’。这能了解他人的看法、获得借鉴，让研究结果更严谨。”

路如森说，关于M87黑洞研究的下一个目标就是与EHT（事件视界望远镜Event Horizon Telescope）一起拍摄“彩色黑洞”。他解释，将拍摄更清晰的3.5毫米照片，结合未来EHT拍摄更清晰的1.3毫米照片，未来下一代EHT拍摄0.8毫米照片，以及在更遥远的未来空间VLBI拍摄更短波长的照片，可以得到黑洞的“彩色照片”。

推进建设毫米波望远镜

不论是探月工程还是黑洞照片，VLBI技术都发挥着重要作用。

20世纪60年代中后期，为了进一步提高射电天文观测的本领，射电天文学家利用当时高稳定原子频标技术和高速磁记录技术的发展，在传统的连线干涉仪基础上，发展出以“独立本振”和“磁介质记录”为特点的VLBI技术。1967年美国Broten等人第一次得到了VLBI干涉条纹，开创了射电天文学的一个新领域。

在叶叔华院士的带领下，上海天文台建立了我国第一台25米口径的射电望远镜，开启了我国在射电干涉测量技术的发展之路。目前，上海天文台已推动实施我国毫米波VLBI实验系统建设，同时提出并积极推动在西部地区建设亚毫米波望远镜及阵列并发展相关观测设施。

而给黑洞拍彩色照片和电影，都需要不同的观测波长。

在位于上海佘山的天马望远镜园区，不仅有一座口径达65米的天马射电望远镜，还有一个个头较小的毫米波望远镜。

路如森告诉记者，观测波长越短的射电望远镜建设难度越高。大部分的射电望远镜的工作频段在厘米波段，而给黑洞拍照的望远镜需要做到毫米波段，甚至亚毫米波段，这对望远镜的制造工艺和工作环境都提出了非常苛刻的要求。“新建设的望远镜将能够探测更弱的信号，这样天文学家们就有望观测到更多黑洞图像，同时也会发现更多的双黑洞。”

他进一步解释，望远镜的波长越短频率就越高，分辨本领就提升了。上海天文台也提出建设国内的高频VLBI阵列，在天马园区里建设了毫米波望远镜作为实验型号。“现在国际上一个主流的发展趋势就是在发展高频VLBI技术，也希望能有社会各界的力量来关注和支持我们毫米波望远镜的建设。”