黑洞照片背后的上海团队:去火山口观测、一张照片洗5年

第一财经2024-02-12 12:38:37 听新闻

作者:金叶子    责编:杨志举报

从2019年4月全球首张黑洞照片发布至今,黑洞研究的进展一直在持续,从黑洞全景图、再到证明自旋存在。

科学家们对黑洞的探索并没有结束,“彩色黑洞”、“黑洞小视频”也成为了科学家们的下一步的目标。

在拍摄黑洞首张照片的功臣——全球合作、数年准备的事件视界望远镜(EHT)项目中,有国内16位学者参与。作为一个以直接观测星系中心超大质量黑洞在事件视界尺度上的结构为主要目标的国际合作项目,EHT的科研目标不仅在于证明黑洞的存在,更要了解更多黑洞相关的物理性质,以及气体被吞噬的过程。

其中,EHT合作组织中国协调人、中国科学院上海天文台台长沈志强研究员,路如森研究员,江悟副研究员,赵杉杉助理研究员都全程参与其中。

沈志强研究员告诉第一财经:“全球都在研究同一个黑洞,就需要我们做出与别人不一样的东西,有自己的开拓,不管是探索偏理论还是琢磨偏技术的东西,在国际合作中应该发出一些‘中国声音’。”

在这些黑洞研究成果中,中国科学家团队扮演了哪些角色?

5年洗照片

2018年从国外回来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及其偏振图像以及银河系中心黑洞的首张照片外,去年4月刚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。

“当时国际上在这个领域已有较多积累,但国内的基础还相对薄弱。回国时就想能帮助我们国内黑洞成像研究推进到国际先进水平。”

但研究过程并非一帆风顺。当结果受到国外学者质疑时,路如森与合作者一遍遍地检查数据分析结果,开发新算法去解决科研难题,探寻影响结果的不确定因素,持续打磨研究结果,还要耐心解答同行们提出的各种疑问。出成果的过程煎熬又磨人。但路如森认为:“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。”

以去年发布在《自然》杂志的黑洞全景图为例,照片其实在2018年4月14日至15日就已经拍好,但经过了5年处理才发布。路如森对第一财经解释称,在初步处理数据后,他们就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,反复验证和确认结果,最终在五年后呈现出这张新图像。

“此前我们参与的全球首张银河系中心黑洞照片其实也是2017年拍摄的,这中间也花了5年的时间。VLBI(甚长基线干涉测量)这一块,实际上还是比较复杂,需要花时间的,所以说拍照的时间也就大约是几个小时,但是‘洗照片’的过程,包括后边的理论解释,可能花的时间就要多得多,这是我们为什么要花数年的时间才能得到这样一张照片的原因。”

路如森说,关于M87黑洞研究的下一步的目标是与EHT一起拍摄“彩色黑洞”还有给黑洞拍摄“电影”。所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。而为了在下一步给黑洞拍摄“电影”的研究中抢占科技制高点和更多国际学术话语权,就要有自己的观测设备。为此,上海天文台已推动实施了我国毫米波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。

火山口观测

除了这些日常的“洗照片”工作,科研团队还需要做实地观测。

中国科学院上海天文台江悟副研究员告诉第一财经,要从地球上看见黑洞,必须使用在亚毫米波段工作的望远镜。亚毫米波天文观测需要干燥的天气环境和稀薄的大气,因此火山口是一个不错的选择。夏威夷有两座著名的火山——一座仍然活跃,另一座是休眠火山,成为天文观测胜地。给黑洞拍照的事件视界望远镜就有2台建在这座火山口。

江悟是参加“事件视界望远镜”(EHT)观测的科研人员之一。“去那里观测除了高原反应引起的气喘和些许头痛外,印象最深的是虽然在半夜观测,大家都热情高涨,工作时一丝不苟,通力合作。”江悟回忆道,“最大的福利莫过于,在凌晨返回基地的途中,有时还能见到另一个山头的火山口正喷发着火星,同时见证大自然的神奇和宇宙黑洞的神奇算是都赶上了。”

在他看来,目前,天文学家们已经得到两个超大质量黑洞的图像。接下来是否可以看见两个相互绕转的超大质量双黑洞呢?根据天文学的星系并合理论,这在理论上是存在的。

江悟对此很着迷,也正在和同事一道努力推进亚毫米波望远镜的建设,特别是多频同时接收技术的研发。“多频同时接收技术是未来的发展趋势。”江悟说,“它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,同时也发现更多的双黑洞。”

目前,江悟正在与国际同行积极开展多频同时接收技术的观测实验。

做理论也研究技术

作为团队中最小的“90后”,中国科学院上海天文台赵杉杉助理研究员在2017年加入了“事件视界望远镜”(EHT)合作组,彼时她还是在读的博士研究生。

从2017年至今,她亲历了M87黑洞照片和银河系中心黑洞照片的合作研究过程,其中对观测数据的理论解释是她最为熟悉的环节。“对于公众来说,可能看到黑洞照片就足够了,但对于科研人员来说,我们更关心的是黑洞照片背后的物理意义。”

为了尽可能考虑到各种可能性,EHT合作组的理论工作组利用计算机数值模拟生成了一个庞大的模型图像库,并且不断进行扩充。2019年时,模型图像库含6万张图像,到2022年时则扩充到180万张图像。赵杉杉所在的理论工作组将模型图像库与观测数据进行比较,筛选出二者符合良好的模型。

比如,对于银河系中心黑洞照片,黑洞“头顶”朝向地球的、自转的、吸积盘顺转的模型符合更好一些。之所以需要如此庞大的图像库,是因为黑洞周围的环境非常复杂,这种复杂性导致很多物理参数都是不确定的,每个物理参数变动一点,最后生成的模型图像都可能大不一样。每张模型图像背后是大量的人力和算力。一次数值模拟需要在超级计算机上算几周到几个月,如果变动参数就要重新计算。从这个角度说,黑洞图像的理论解释是非常“昂贵”的研究工作。

现在,赵杉杉不仅从事理论研究,还更加积极地投入到观测和望远镜技术领域中。“我以前以为做科研就是坐在电脑前推公式、写代码,从来没想过可以参与建设望远镜。但是沈台长经常跟我们说一句话:‘你不做,就没有人做了’。”

为了早日用上中国自己的设备给黑洞拍照,她投入完全未知的新领域。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。

为此,赵杉杉跟随团队去西藏进行考察,寻找合适的站址。“望远镜的每个零件都要精益求精,任何一个小螺丝的松动,都会影响到最后的结果。理论研究通常是纯粹和完美的,而造望远镜总是会出各种各样的状况,需要你用一种更务实的心态来应对。”(文中照片皆为采访对象提供)

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