日前，由世界各地8個(gè)天文臺的亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡組成的虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)“視界面望遠(yuǎn)鏡”，結(jié)束了對銀河系中心黑洞Sgr A*和星系M87中的黑洞的觀測。科學(xué)家們將用一年左右的時(shí)間分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2018年黑洞會首次向人類露出“真容”。不過遺憾的是，在這次的全球協(xié)作中，沒有看到中國科學(xué)家的身影。黑洞為何在天文研究中如此重要？中國科學(xué)家為何缺席？記者就此采訪了進(jìn)行黑洞研究的中國科學(xué)院國家天文臺茍利軍研究員，請他介紹相關(guān)情況。 

　　我們將是第一批看到黑洞的人類 

　　記者：我們之前也看過一些黑洞的模擬照片，為什么說這次是人類首次看到黑洞？ 

　　茍利軍：我研究黑洞快20年了，但包括我在內(nèi)的科學(xué)家都沒有真的看到過黑洞。黑洞自身不發(fā)光，體積很小，而且與地球的距離非常遙遠(yuǎn)，限于望遠(yuǎn)鏡分辨率，我們無法直接看到黑洞。所以，我們之前都是用觀察吸積盤和噴流等間接方法來探測黑洞，然后根據(jù)理論進(jìn)行計(jì)算，模擬出黑洞的樣子。

　　這次是人類首次直接“看到”黑洞?？茖W(xué)家們利用位于南極、智利、墨西哥、美國亞利桑那州、美國夏威夷、西班牙的8個(gè)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡從地球同時(shí)對黑洞開展觀測，這8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡有單鏡、也有望遠(yuǎn)鏡陣列，聯(lián)合起來能夠“拼成”一個(gè)與地球直徑一樣大的虛擬望遠(yuǎn)鏡。我們都知道望遠(yuǎn)鏡的分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡的口徑，但在這個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)中，分辨率取決于望遠(yuǎn)鏡之間的距離。分布在地球各處的射電望遠(yuǎn)鏡極大地提高了虛擬望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率，從而讓天文學(xué)家能夠分清黑洞。然后應(yīng)用大型計(jì)算機(jī)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行合并與分析，產(chǎn)生黑洞的圖像。為了處理這些海量數(shù)據(jù)，美國麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家還特意開發(fā)了新的算法，以加快數(shù)據(jù)分析。

　　記者：那么這次可以看到黑洞內(nèi)部的情況嗎？是不是說我們可以全面了解黑洞了？ 

　　茍利軍：不能這么說。這次我們還只能看到黑洞的“外貌”，依然看不到黑洞的內(nèi)部。這里我們要說一個(gè)概念：視界面。黑洞的全部質(zhì)量可以認(rèn)為幾乎都集中在其最中心的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)周圍會形成一個(gè)強(qiáng)大的引力場，在一定范圍內(nèi)，連光線都無法逃脫。這個(gè)光線都不能逃脫的臨界半徑就被稱為“視界面”——也就是視線所能達(dá)到的邊界。這次能看到的，就是這個(gè)“視界面”。以我們目前的技術(shù)手段，黑洞內(nèi)部我們還無法看到。

　　黑洞會威脅地球安全嗎 

　　記者：地球會有被黑洞“吞噬”的危險(xiǎn)嗎？ 

　　茍利軍：地球沒有被黑洞“吞噬”的危險(xiǎn)。我們現(xiàn)在理論認(rèn)為，恒星質(zhì)量大小的黑洞是由質(zhì)量大于太陽幾十甚至幾百倍的恒星衰老后，核心塌縮，直至形成體積接近無限小、密度無限大的星體。這也就是說，太陽不會變成黑洞，最后會變成白矮星。

　　即便太陽所在的位置有一個(gè)黑洞，地球也不會有危險(xiǎn)。因?yàn)橹挥泻秃诙醋銐蚪?，才可能被黑洞吞噬、撕裂，而地球處于安全距離。雖然我們目前只確認(rèn)了20多個(gè)恒星量級的黑洞，但根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在上千萬個(gè)這樣的黑洞。但這個(gè)數(shù)量相較于銀河系的體積來說，分布還是比較稀疏的，距離我們最近的黑洞也有三千四百多光年。即使突然間把我們中心的太陽換成一個(gè)同等質(zhì)量的黑洞，我們的地球運(yùn)行也不會受到任何的影響。所以，地球沒有被黑洞“吞噬”的危險(xiǎn)。

　　記者：如果黑洞不會威脅地球，又這樣難以觀測，我們?yōu)槭裁催€要研究黑洞？ 

　　茍利軍：科學(xué)家進(jìn)行研究的動力之一就是好奇。黑洞就像是神奇的黑匣子，你不想知道里面藏著什么嗎？而且借助黑洞，能讓我們了解更多自然的奧秘。比如我們之前就是借由兩個(gè)黑洞合并，才首次證實(shí)引力波的存在。這次我們得到黑洞的“照片”，也能解答很多疑問。例如能讓我們更深入理解愛因斯坦的廣義相對論，對其作出最為嚴(yán)格的限制。還有，科學(xué)家之前發(fā)現(xiàn)，黑洞不僅能“捕捉”光線和一切“路過”的物質(zhì)，而且也有拋射氣體的噴流現(xiàn)象——一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場的作用下被沿轉(zhuǎn)動方向拋射出去，形成非常壯觀的噴流現(xiàn)象。但我們對噴流的形成機(jī)制等情況并不清楚，希望這次能告訴我們更多視界面的細(xì)節(jié)，為我們研究相關(guān)問題提供更多證據(jù)。

　　中國科學(xué)家為何沒有參與其中 

　　記者：這次視界面望遠(yuǎn)鏡拍攝黑洞應(yīng)該算是國際天文學(xué)界的大事了，中國科學(xué)家有參與嗎？ 

　　茍利軍：據(jù)我所知，中國科學(xué)家沒有直接參與觀測。不過8個(gè)望遠(yuǎn)鏡中有一個(gè)屬于東亞天文臺，這個(gè)天文臺位于美國夏威夷，是中國科學(xué)院國家天文臺、韓國天文與空間科學(xué)研究所、日本國立天文臺和中國臺灣“中研院”天文與天體物理研究所共同管理和運(yùn)行的。

　　記者：那中國科學(xué)家為什么沒有深度參與這個(gè)項(xiàng)目呢？ 

　　茍利軍：為了這5天的觀測，科學(xué)家們已經(jīng)準(zhǔn)備了十多年。一開始是美國和歐洲的科學(xué)家在分頭進(jìn)行類似的這個(gè)項(xiàng)目，后來發(fā)覺獨(dú)立利用各自的望遠(yuǎn)鏡達(dá)不到所需要的分辨率，然后兩者就合并形成了現(xiàn)在的這個(gè)視界面望遠(yuǎn)鏡組織，而中國科學(xué)家一直沒有直接參與這個(gè)項(xiàng)目。

　　同時(shí)，天文觀測高度依賴儀器設(shè)備。我們前面說過，觀測黑洞是件很難的事，Sgr A*黑洞距離地球25000光年，約為24億億公里。雖然它的視界面約為2400萬公里，但觀測這個(gè)黑洞就像我們在地球上用肉眼看月球表面放的橘子。在這次觀測中，有個(gè)望遠(yuǎn)鏡尤其重要，一個(gè)是位于智利的ALMA毫米望遠(yuǎn)鏡陣列，它在2013年才全部建成投入運(yùn)行，它的靈敏度是目前單陣列中最高的，將視界面的望遠(yuǎn)鏡探測光子的靈敏度提高了至少10倍，而且它所在的位置是地球上最佳的觀測地點(diǎn)，它的觀測時(shí)間也非常寶貴。另外一個(gè)望遠(yuǎn)鏡是位于南極洲的望遠(yuǎn)鏡，它極大地增加了望遠(yuǎn)鏡的分辨率。正是因?yàn)檫@兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)力加入才讓這一項(xiàng)目成為可能。

　　中國過去觀測設(shè)備與國際先進(jìn)水平相比是有差距的，比如這次用的太赫茲頻段射電望遠(yuǎn)鏡在我國只有兩個(gè)，一個(gè)在德令哈、一個(gè)在羊八井。因?yàn)槌叽缬邢?，即便它們加入虛擬望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，可能對提高其空間分辨率的貢獻(xiàn)也不大。而8臺望遠(yuǎn)鏡要在同一時(shí)間進(jìn)行觀測，需要用到相干技術(shù)，比如觀測之前要對所有望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行校準(zhǔn)，可能還要對終端設(shè)備進(jìn)行升級，不僅需要資金，也有很多技術(shù)難題，可能在這些方面我們還有差距。

　　記者：作為中國研究黑洞的科學(xué)家，您沒有參與到這一項(xiàng)目，會不會覺得有些遺憾？ 

　　茍利軍：當(dāng)然覺得遺憾。不過現(xiàn)在天文領(lǐng)域國際化合作越來越多，中國也在積極參加，我們希望通過國際合作縮短差距。比如國際上計(jì)劃建設(shè)的最新一代30米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，我們國家天文臺也參與了。

　　中國也在不斷提高自己的觀測能力和觀測水平，比如貴州的500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡等。

　　有人曾質(zhì)疑我們目前在建或計(jì)劃建設(shè)的望遠(yuǎn)鏡的水平落后于國際先進(jìn)水平，但核心技術(shù)是買不來的，只能靠自己攻關(guān)，必須一步一步來。我們可以快走幾步，盡快趕上來。

　　我相信，隨著中國天文觀測能力、水平的提高，這種遺憾會越來越少，中國科學(xué)家將為科學(xué)的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

　　（圖片由Nature自然科研提供，因翻譯原因，圖中“事件視界”即為文中“視界面”。） 

　　■成果預(yù)期 

　　解釋噴流的形成：噴流是宇宙中最為壯麗的景象之一——某些超大質(zhì)量黑洞以接近光速向星際空間噴射的巨大粒子噴流。其中某些黑洞，包括M87，噴流長度甚至超過它們所在星系的跨度。但又不全是如此，比如Sgr A*的噴流或許因?yàn)樘』蛱⑷酰灾劣谥两駴]有被發(fā)現(xiàn)。雖然科學(xué)家們至今不清楚噴流的成分，但看上去它們在宇宙的演化中扮演著突出角色，特別是通過加熱星際間物質(zhì)，噴流可以防止物質(zhì)冷卻形成星球，從而阻止星系的生長?？茖W(xué)家們希望這一次能夠解釋是不是黑洞自旋為射流提供了能量源。

　　驗(yàn)證愛因斯坦引力理論：觀察視界面的大小和形狀，將能夠首次在超大質(zhì)量黑洞周圍的極端空間驗(yàn)證愛因斯坦的引力理論。這將跟進(jìn)去年激光干涉引力波天文臺LIGO的歷史性發(fā)現(xiàn)。物理學(xué)家評論：“我們在觀測一個(gè)我們不一定知道其物理規(guī)律的空間?！?/p>

　　找到不同于黑洞的未知物體：理論學(xué)家給出了一系列不同的理論，來解釋當(dāng)物質(zhì)因?yàn)樽灾厮s時(shí)可能會發(fā)生的情景。其中某些理論認(rèn)為這并不會形成黑洞，因?yàn)橐?dǎo)致的塌縮會在恒星殘骸越過“無法折返”的臨界點(diǎn)前停止。這有可能形成一種極其致密的星球，而EHT或許可以探測到源自其堅(jiān)硬表面的輻射。但是安達(dá)盧西亞天體物理所的天體物理學(xué)家認(rèn)為，能找到這類天體實(shí)屬碰運(yùn)氣，“我有些懷疑這次觀測能否分辨經(jīng)典黑洞和更為奇異的天體”。