中国式现代化奋进者｜捕获首张黑洞照片后，他们期待为黑洞“拍电影”看看新闻Knews2024-02-19 15:30天津看看新闻Knews2024-02-19 15:30天津
2024-07-03 01:29:43
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2019年4月10日，世界上首张黑洞照片出炉。时隔三年，2022年5月12日事件视界望远镜团队发布了银河系中心的超大质量黑洞照片。
人类关于黑洞的无限想象被证实，这背后有一支上海科研团队作出了重要贡献，他们就是中国科学院上海天文台的黑洞成像研究团队。
“某种意义上，我们是从无到有、从弱到强、从点到面，中国天文学正在逐渐地赶上世界的发展前沿。”中国科学院上海天文台台长沈志强说，“天文绝对是浪漫的，但从事这个行业更多的是长期深耕、默默无闻。”黑洞成像研究一直是上海天文台着力发展的重点方向，早在2005年，沈志强研究员在3毫米波段观测发现银河系中心存在超大质量黑洞的新证方面就引起了国际同行高度关注。
2023年4月，中国科学院上海天文台研究员路如森领导的国际科研团队又在M87黑洞的成像研究方面取得最新进展，实现了对M87黑洞及其周围吸积流和喷流的共同成像探测。这一成果于北京时间4月26日晚在国际学术期刊《自然》在线发表。
在这次对黑洞的研究中，中国科学院上海天文台领导的国际科研团队利用全球各地的总共16个观测台站，在不同于此前事件视界望远镜的观测频段，完成了成像与科学分析，实现了对M87黑洞及其周围吸积流和喷流的共同成像探测，给该黑洞及其周围的“环境”拍摄了“全景照”，并首次显示出了中央超大质量黑洞与其吸积流、喷流的联系。
“想把国内黑洞成像研究推进到国际先进水平”
“我回国，就是想把国内黑洞成像研究推进到国际先进水平。”路如森的初衷很纯粹。
长期利用甚长基线干涉测量技术（VLBI）开展成像研究，在德国科隆大学和上海天文台获得实验物理和天体物理博士学位后，路如森在德国马普射电天文研究所和美国麻省理工学院从事相关研究。“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。”2018年，路如森带着多年研究积累，携全家放弃国外永居，加入上海天文台。他坚信，中国也一定能在这个领域做出引领性成果。
一回国，路如森就憋着一股干劲儿，在这些基础上着力开展国际最前沿的1毫米波段成像研究。凭借长期深入参与事件视界望远镜（EHT）等国际合作的经验和优势，他组织起科研团队，聚焦近邻超大质量黑洞与喷流的高分辨率成像研究，推进EHT、东亚（亚）毫米波VLBI等合作，与马普射电天文研究所成立伙伴小组，不仅带动台内形成黑洞天体物理观测与理论研究联合科研团队，还牵头数十名国际同行开展合作，瞄准世界前沿进行攻关。
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。”
功夫不负有心人，多年的投入带来了“现象级”重磅成果频出。2017年，路如森与合作者对位于M87星系中心和银河系中心的两个超大质量黑洞开展了首次成像观测，并分别于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，取得天体物理领域的重大突破。
2023年，他牵头国际团队完成对M87黑洞及其周围环境的成像研究，首次在新波段捕获该黑洞的照片并对黑洞周围的吸积流和喷流一同进行成像，实现给活动星系核的“中央引擎”拍摄“全景照”的突破，结果发表在《自然》杂志，在全球引发广泛关注。
去高原、去火山口仰望星空
赵杉杉在2017年加入了“事件视界望远镜”（EHT）合作组，2020年起到中国科学院上海天文台继续进行黑洞成像的相关研究。
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。”赵杉杉说。
“EHT合作对于我这样的青年科研人员来说是个很好的平台。”赵杉杉说，“在这个平台上，持不同学术观点的科学家共同完成工作，我参加各类讨论、会议，能够直观地接触到、感受到和学习到目前这个领域最新的研究进展和发展趋势，看到持不同学术观点的科学家们进行思想碰撞。”
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的领域中。“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’。”
为了早日用中国自己的设备给黑洞拍照，她迎难而上，投入到完全未知的新领域。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。由于亚毫米波在穿过大气层时会被大气中的水分子吸收，亚毫米波望远镜需要在干燥的高原地区建设。
为此赵杉杉跟随团队去西藏进行考察，寻找合适的站址。“人的适应力都很强的。在海拔四千多米的地区，一开始说两句话就要吸氧，但过几天就能跑了。”此外，团队还在上海松江地区建设了一台5米口径的毫米波望远镜，进行技术验证。
为了保证进度，赵杉杉拿着小本子四处“督工”，还去了工厂，“我学习到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。”
和赵杉杉一样为了“仰望星空”四处奔波的，还有中国科学院上海天文台射电天文科学与技术研究室的副研究员江悟。
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，也因此成为了天文观测胜地。给黑洞拍照的事件视界望远镜就有2台建在这座火山口。
江悟是去现场参加事件视界望远镜（EHT）观测的科研人员。“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，“最大的福利莫过于有时还能在凌晨返回基地的途中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。”
在为黑洞拍摄“电影”的研究中抢占科技制高点
对于科研工作者而言，对黑洞的探索所取得的成就仅仅是开始，未来还有无限的前沿突破在这个世人瞩目的“甜甜圈”中等着他们。
路如森透露，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，就要有中国自己的观测设备。为此，上海天文台已推动实施了中国毫米波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。“只有建设我们自己的望远镜，才能掌握更多科研主动权。”为了前往西藏进行望远镜选址考察，他又启程了。
赵杉杉则在繁忙的工作之余，挤出时间，积极做科普。2020年以来，赵杉杉已进行了近十场科普讲座，与“魔都科学目录”合作发布B站科普视频8个，介绍黑洞成像研究及相关的最新研究成果，累积播放量32.7万。
“我们的成果不仅仅是科学家的成果，更是全人类的成果。我希望通过我的介绍，让公众感受到‘看见’黑洞于人类而言是一件非常伟大的事。”赵杉杉说，“令人欣慰的是，公众对我们的成果非常感兴趣，总是会对我提出很多问题。这个时候我就会切实感受到，探索未知是人类的天性。我们作为专业的探索黑洞未知的‘先遣队’，将最新的成果带给大众是我们的责任和义务，同时，这也是一种分享的快乐。”
目前，天文学家们已经得到两个超大质量黑洞的图像。那么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。
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