未來科學大獎周|沈志強：看見黑洞
11月17日消息，奮力的近義詞2019未來科學大獎周于11月13-17日舉行，作為全球最負盛名的科學類獎項活動之一，今年未來論壇著力打造為期一周的大獎周系列活動，旨在以更高的水準打造2019年度國際性科學盛宴。
在2019 未來科學大獎高峰論壇上，中國科學院上海天文臺臺長沈志強在論壇上發表了題為：“看見黑洞”的演講。
以下為演講全文：
各位朋友早上好！今天我給大家報告的題目叫“看見黑洞”。從這個題目看有兩個關鍵詞，一個是“黑洞”，一個是“看見”。先跟大家說一下黑洞，這里顯示的黑洞圖片大家可能都已看到過，據說到現在全球有45億人看到過這張照片。什么是黑洞？很簡單，黑洞它是沒有邊界，這里畫的只是一種示意，實際上這個是事件視界，當然黑洞里面更是看不到因為沒有光線可以從里面出來，所以是漆黑一片。如果你靠的太近，你就“掉”進去永遠出不來了，這是一個非常形象化的黑洞的表示。當然我們人類跑得再快也有把你束縛住的地方。
想象在我們地球上是什么把我們大家拽著，是地球萬有引力。我們知道把火箭擺脫地球引力的話，要每秒11.2公里的速度才能逃離地球。太陽系八大行星上的逃逸速度各不相同，最大的是木星上大概要將近60公里每秒，這在我們人類想象中是很快的速度。但是實際上我們知道所有現在物理世界傳播或者運動最快的速度是光的速度，30萬公里每秒。它是什么概念，2秒鐘就能從月球往返一次。用簡單的牛頓動力學可以得到逃離速度，當它的動能和勢能達到平衡，當然如果勢能更大就跑不出去了。進一步設想如果速度達到光速你也逃不出它的引力會是什么樣的情形？
這是1915年，大概100年以前愛因斯坦提出的概念，他把我們的時空跟我們的物質和能量有機地統一在一起，實際上就像我們現在時空每個人都是聯系在一塊兒，所以你可以看到物質與能量告訴你時空該怎么彎曲，而時空的彎曲告訴你物質怎么運動，這是廣義相對論的直接聯系。1915年廣義相對論出來后，1916年當時德國科學家史瓦西得出了第一個黑洞的數學描述。但是在隨后的將近半個世紀，更多的對黑洞的研究相對于我們今天的黑洞研究只是停留在一個概念上。
在上個世紀1967年，惠勒教授第一次提出黑洞這個詞，也就是差不多50年前我們才有了黑洞這個術語。這個黑洞是非常致密的天體引力塌縮的結果。我們知道恒星有生也有死，但恒星死亡有不同的結局，一種叫白矮星，另外一種中子星，還有一種如果它的恒星的質量是5-8個太陽質量甚至更大的時候，它可能最終的宿命就是一個黑洞。但是另外一個我今天要說的黑洞就是百萬太陽質量級的，剛才我們嘉賓主持武向平院士提到了，就是存在于星系中心的超大質量黑洞的存在。所以黑洞非常簡單，待會兒茍利軍研究員會提到它有自旋，它會轉。
那我這里只用一個量，就是它的質量，我們不去談這里的一些物理參數，如光速，引力常數等，黑洞的大小就可以用它的質量代表。對于一個太陽質量的黑洞的引力半徑，只有1.5公里，所以假想我們的地球如果變成一個黑洞，其直徑大小不到2厘米，整個地球全部壓縮在這樣個空間里。因為黑洞周圍強引力的效應，使它周邊的光線，格羅瑪什要塞電磁波輻射，在靠近黑洞周邊就出不來，這也就是在圖上看到的相對比較暗的區域。
但是問題來了，是不是所有的星系中都有一個黑洞，就是大質量黑洞。實際上現在答案幾乎都是有的。但怎么去找？其實差不多也是在50年前，在上個世紀60年代發現了一種叫做類星體的天體，用中文翻譯就是像一顆恒星一樣的天體，其實它不是恒星，它能量超大，當時為了解釋它為什么那么亮，它能量來自哪里，Lynden-Bell和Rees，他們現在是國際上非常著名的天文學家，在這篇文章中就用了黑洞這個概念，認為可能是來自于黑洞的吸積。當時這是理論學家的探索，我們說眼見為實，我們希望回答這樣的黑洞到底有沒有，到哪兒去找。這篇文章非常經典，它在最后列出了一個可以檢驗黑洞存在的觀測清單。他們說有可能仔我們的銀河系中心，看到一個大概在0.5流量單位大小尺寸不到一個毫角秒的射電輻射天體，這是1971年發表的文章。
在這之后天文學家開始大量的尋找觀測，在這之前我先說一下什么是射電天文，射電天文是美國貝爾實驗室工程師央斯基在尋找影響美國到歐洲大陸的無線電通信干擾原因，結果他發現這個干擾信號怎么也去不掉，既不來自于地球，也不來自于太陽系，而是來自于宇宙。該發現于1933年正式發表，由此標志著射電天文的誕生，到現在不到百年的歷史。這張照片是央斯基當時用的設備，這是后來復制的一個設備。射電跟光學，伽瑪射線等都是電磁波，但射電頻率覆蓋非常寬，可見光很窄，然后利用剛才說的甚長基線干涉技術（VLBI）觀測可以達到非常高的空間分辨能力，它是哈勃空間望遠鏡的500倍。另外射電天文往往是探測早期的冷暗宇宙。紅移z代表距離，在近空間哈勃望遠鏡看的比我們清楚，但到遠的，光學波段基本看不到，射電波段則能看到更多。所以射電波段對我們來說非常重要，我們說上個世紀60年代的四大天文發現，類星體，脈沖星，星際分子和宇宙微波背景輻射均來自射電天文觀測，而在這四大發現里面，格羅瑪什要塞除了類星體，都拿了諾貝爾獎。迄今為止，13項授予天文學獎的諾貝爾物理獎中有6項是射電天文學的成果。可以看出射電天文在短短不到百年的歷史對我們人類觀測宇宙認識宇宙起的作用。而且在射電天文之前我們人類用眼睛感知到光學觀測，射電天文打開了我們用整個電磁波觀測。目前國際最大地面天文項目ALMA和SKA都工作在射電波段。
與光學望遠鏡同樣的道理，射電望遠鏡的口徑越大，看的越清晰，越能分辨出細節。按照我們專業的術語，分辨物體的本領是觀測波長除上你的口徑大小，所以口徑越大能觀測到的細節越清楚，波長越短觀測的細節越清楚。現在我們知道貴州的500米天眼，它可能是最大的單口徑望遠鏡的終結者，不可能做的比它更大了，但怎么去擴大我們的分辨本領呢？通過VLBI技術，將兩個沒有物理連接的望遠鏡，通過非常準確的信號記錄，在后期做相關處理，等效實現了虛擬的望遠鏡口徑等同于基線的長度。所以你可以想象，放在地球上最大能達到地球直徑的尺度，甚至可以放在空間，達到更高分辨率的觀測，這是VLBI技術的優勢。
剛才說到1971年科學家提出來找黑洞，很快就是大量的觀測，利用當時地球上已有的歐洲，澳大利亞和美國射電望遠鏡都在分頭找。1974年的2月份銀河系中心黑洞射電源首次被發現就是利用干涉儀，當時組成干涉儀的一個射電望遠鏡口徑也不大，僅14m，這個14米的望遠鏡，現在看來都不算什么，但是當時發現起了很大作用，第一次探測銀心的致密射電源信號，大小在0.6個流量單位，跟預言的差不多，但是它的整個大小尺度非常小，當時沒有分解，跟預言非常切合。
所以這是我們現在看到的銀河系中心黑洞。黑洞概念提出100年來，很長一段時間，銀河系中心超大質量黑洞的唯一的一個合適的超大質量黑洞目標，因為它離我們是最近的，兩萬六千光年，但已經超越了人類想象的距離。黑洞視界半徑是0.08個天文單位，天文單位就是地球到太陽的平均距離，1億五千萬公里。
值得一說的是在不同波段可見光，紅外，X射線，射電看到整個銀河系是不一樣，這是設想我們在銀道面上看到的銀河系結構。光學波段的銀河系中心最黑，根本看不到，1萬億個光子發出來，拉薩之虎其實只有一個光子被我們收到，因為被大量的塵埃與等離子體吸收了。隨著分辨率的提高，你會不斷看到里面隱含著非常豐富的結構，其中最致密的對應銀河系中心黑洞，我們叫SgrA*，*是激發態的意思，就是表示它是能量源。在1974年發現后，很快就有測量它的大小到底是多少，發現它的大小非常有意思，點點娛樂和波長的平方成正比，這啟發科學家來自銀河系中心的輻射受到散射效應。這是我們在1997年首次在5個不同波段的測量結果，你看在波長越長的測量得到的SgrA*圖像也越大，這與我們在雨夜看街燈會非常模糊是一個道理。這告訴我們什么？這個示意圖它實際上把本來是一個點，一個非常致密的點，到這里變成一個有一定大小的面，這里有個散射效應。散射效應與波長的平方乘正比，顯然為了去除散射，要尋求更短波長上的觀測，所以我們又開始尋求3毫米的VLBI觀測。
這是2001年發表的我們第一次做的3毫米觀測，但當時的望遠鏡非常有限，只是證實了我們的理解還是對的，但是并不能告訴我們它真正的細節。這是我們團隊的工作，在2002年3.5毫米得到了黑洞這一張照片，但是這還不夠接近黑洞。
我們3.5毫米結果發表后的Nature的評論上放了這張圖片，這就是今天要談的黑洞的陰影，但這是來自數值模擬的結果。那時候引力波還沒有發現，用到的是另外一個干涉儀，大家也知道，后來的引力波也被證實。
我們現在就去看廣義相對論預言的黑洞陰影，這是可以算出來，剛剛說到描述黑洞的參數就是一個質量加上一個自轉，當然可能還有帶的電荷。所以可以看到，有這樣一個黑洞的存在使得我們在地球上觀測到的是，相對周圍中央是暗的，陰影就是這么來的。這個陰影大小約5.2倍黑洞視界，對銀河系中心和M87黑洞大概是50微角秒，這是非常小的，20微角秒等同于在地球上看月球上一個蘋果的大小。非常有意思，在1973年巴丁第一次說，仔細去算你看過去的黑洞陰影，可能概念上非常有趣，但是天體物理不是那么重要，他認為很不幸可能沒有希望看到這樣的效應。而在2000年的模擬工作表明對我們銀河中心黑洞，我們很有可能看到中間暗兩邊亮的結構。我們繼續去尋找，陰影無處不在，如果相對論是對的話。黑洞質量越大，視界半徑越大，陰影直徑也越大。銀河系中心的距離和質量與M87的相差都是2000倍左右，因此對我們地球上的觀察者都張著類似的角大小，就像我們看月亮和太陽都是類似的30角分的一個概念。
我們怎么去看呢？就要用到VLBI技術，分辨本領跟波長和口徑有關系，我們希望分辨本領更高就需要觀測波長更段，而望遠鏡的口徑越大，在地球上可以達到一萬公里。我們想想看我們用什么樣的望遠鏡才能看呢，假定我們要得到20微角秒分辨率，工作在1.3毫米波長，這樣的望遠鏡的口徑應該是大概1萬公里，這樣我們才有希望看到，這是數值模擬得到的黑洞陰影大小，這個地球大小的工作在1.3毫米的望遠鏡就是我們今天知道的事件視界望遠鏡（EHT）。這是2008年開始做，當時僅有三個望遠鏡對銀河系中心和M87進行了測量，但還沒能看到圖像。我們要繼續往前。到2016年年底全世界相關研究人員合作，這是當時成員來自世界各地的分布，在美國波士頓郊外開了這個會。這是9個望遠鏡，阿丁新浪博客分布在全球6個地方，包括智利的阿塔卡馬沙漠有三個望遠鏡，以及在美國的夏威夷的2個，分析表明這個事件視界望遠鏡在230GHz的觀測可以得到20個微角秒。
這是2017年4月份我們對銀心和M87兩個主要目標進行觀測，這示意著隨著地球自轉，天空目標在不同望遠鏡觀測得到的數據采樣，你會看到這個代表分辨本領。當數據越來越多的時候，你會發現這個圖越來越清晰，你可以看到這是全球大概一萬公里的參數，這里值得一提的是這些臺站都坐落在非常高海拔地區，除了在南極是2800米，其中都是3000—5000海拔的高度上。
這張圖顯示了在觀測期間的情形，,綠的表示在參與觀測，綠線表示有數據記錄，因為有時候目標在某個臺站是看不到的，所以你看這是代表我們實際觀測在不同時候它切換到不同的目標。M87是主要觀測目標，我們還同時觀測其它目標，這些紅點代表沒有觀測。這是4月6日那天，望遠鏡怎么觀測，怎么協調，這是一個過程。這是我國科學家在夏威夷參與完成15米JCMT的觀測運行時觀測人員的合影，當然還有其他的望遠鏡的協同觀測。
觀測結束時，我們并沒有辦法馬上直接得到圖像，要對數據預處理，所有觀測臺站記錄到共約3500T的數據量。這里要做的相關處理，我不展開，整個數據分析要做相當多的反復和相當多檢查，包括用不同方法來驗證反復處理數據，直到最后的科學數據發布。現在科學數據在文章發表之后對全世界公開使用。當時有四個不同的組，相互之間是不知道結果，用它們自己熟悉的方法來做獨立的工作，最后來比對發現共同的圖像特征還是可以的。所以在這個情況還要對整個參數空間做大量的比對，因為這里面最擔心就是有一些因為數據不足帶來認識上的不夠。
在今年4月10號在美國天體物理學雜志通信上發表了這個系列文章，可以看到不同日期觀測到的圖像非常相近，但是也看到在不同的天還是有變化。這個視頻顯示M87位于室女座方向的一個巨橢圓星系，距離地球約5500萬光年，中心黑洞質量是太陽的65億倍。這是在光學哈勃望遠鏡噴流的物質，繼續往里面看，最終我們看到這樣的黑洞照片。
這張顯示了M87星系從20萬光年的大尺度一直到現在0.1光年尺度上的圖像。當時它的質量測量有兩個結果，現在知道是65億倍太陽質量，當時從氣體動力學得到的是30億倍太陽質量。黑洞照片告訴我們什么，黑和洞！中間是我們太陽系的示意圖，太陽在這，海王星在這，旅行者現在還沒有走出它的視界范圍，這是非常大的尺度。實際上我們擬合的數據非常好，最后得到這是個有自旋的65億太陽質量的黑洞。
這是我們當時在觀測申請書中的預言，亮環的增亮部分是在北邊，而不照片顯示的南邊。這是由于黑洞自轉方向的不同所致。黑洞在空間自旋跟我們當初假設不一樣，現在我們看到南北不對稱且南邊偏亮，分析表明南北不對稱是黑洞自旋引起，M87黑洞自旋方向遠離地球。該黑洞照片證明愛因斯坦依然沒有錯。
我們得到這些物理參數，時間原因就不展開。當時這張圖在4月10號在全球6個主要的地方發布，我們在上海天文臺舉辦了這樣一個新聞發布，當時我得到的統計大概在不到一周有4800多篇報道，直播視頻有5000萬人觀看。今年9月5號，EHT團隊的347位共同獲得了2020年基礎物理學突破獎，頒獎儀式已在9月3號在美國舉行，這是一篇論文上的合作者名單。值得一說的是EHT是個亞毫米波陣，這是日，韓與我們中國合作組成的VLBI干涉網，東亞VLBI網，在首張黑洞照片的1.3毫米的EHT觀測期間，上海65米天馬望遠鏡作為東亞VLBI網主要成員參與的2017年3-5月間密集的（17次）毫米波（7毫米，13毫米）VLBI協同觀測，為M87黑洞成像的流量校準做出了貢獻。
下一步怎么做，從科學觀測方面，現在正在進行的一個工作是關于M87偏振圖像，還有就是銀河系中心第一個圖像，當然還有其他目標。從技術上我們希望能在更高的頻率上觀測，我們希望有更加靈敏的儀器。這是7月15-19的的偏振工作周。
這里可以看到為了檢驗現有的理論模型，需要有更清晰的圖像，我們期待要更靈敏的觀測，更好的數據。
這是一個銀心黑洞，這是運動學角度很多恒星在銀心黑洞吸引下運動，得到中央黑洞是400萬個太陽質量。這是我演講的小結，我們從來沒有像現在這樣通過EHT可以如此近距離看到黑洞。
謝謝大家，最后請允許我占用些時間給大家播放一個關于EHT望遠鏡協同觀測的視頻，這是在不同臺站的望遠鏡參與EHT觀測的情況。這是在南極的望遠鏡，當然在南極是看不到M87，它主要是參與對其他目標的觀測。EHT亞毫米波觀測對天氣條件要求非常苛刻，每年只能在4月份。
謝謝大家！
