天文學家公布銀河系中心黑洞首張照片。（來源：新華社，EHT合作組織供圖）
M87星系中心超大質量黑洞。（來源：新華社，EHT合作組織供圖）
2019年，沈志強接受本報全媒體記者專訪。（資料圖）
北京時間5月12日晚21時，全世界多地的天文學家向人類展示了來自于EHT的一項突破性成果——首次拍攝到銀河系中心超大質量黑洞人馬座A*(以下簡稱Sgr A*)的照片。這是繼2019年4月人類拍攝到M87星系中心超大質量黑洞照片后的第二張黑洞照片。該發(fā)現(xiàn)集結了來自全球80個研究機構共300多名研究人員組成的EHT合作組織的奇思妙想才得以實現(xiàn)。除了開發(fā)復雜的工具來克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團隊花了五年時間，用超級計算機合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測結果進行嚴格比對。
EHT（事件視界望遠鏡：Event Horizon Telescope）合作組織國內協(xié)調人、上海天文臺臺長沈志強從事銀河系中心超大黑洞研究已有20多年時間。昨日他接受廣州日報全媒體記者專訪，介紹了該黑洞的很多物理性質以及人類共同協(xié)作拍攝該黑洞照片的歷程與故事。沈志強表示，銀河系中心黑洞的質量是太陽質量的約400萬倍，太陽系圍繞該黑洞旋轉一周的時間約2.25億年，但該黑洞的形成仍是未解之謎，而前后兩張黑洞照片的發(fā)現(xiàn)，也再一次驗證了愛因斯坦的廣義相對論。
文、圖/廣州日報全媒體記者 武威（除署名外）
對話沈志強：
太陽系繞銀心黑洞一圈約2.25億年
廣州日報：據(jù)科學觀測，銀河系中心黑洞的質量約是多大？體積多大？直徑多大？其密度有多大？
沈志強：根據(jù)我們目前的觀測了解，銀心黑洞的質量約為400萬倍的太陽質量，若將其看作一個（視界）直徑為2400萬千米（約太陽直徑的17倍，地球到月亮的距離的63倍)的球體，不難估算出它的密度約為1200克每立方厘米。這個密度是水密度的1200倍。
廣州日報：太陽系圍繞這個銀河系黑洞運動的角速度有多大？太陽到這個黑洞的平均距離為多少？
沈志強：處在獵戶旋轉臂的我們的太陽（地球）距離銀心黑洞約為27000光年，正以每秒240公里的速度繞銀心公轉，由此不難估算出太陽系圍繞這個銀心黑洞的角速度約為1.6°/百萬年，或者說要用大約2.25億年繞轉一圈。
廣州日報：銀河系中心黑洞的形成是否有一些假說？這次的觀測對這些假說是否能有一定的證明？
沈志強：目前我們認為，恒星質量級的黑洞是由大質量恒星演化晚期坍縮形成，但星系中央的超大質量黑洞是如何形成的，仍是未解之謎。
銀心黑洞應該是已演化到了穩(wěn)定階段，科學家們利用EHT觀測及其它的多波段觀測數(shù)據(jù)得到的諸多限制來篩選不同理論模型（不同轉動速度，磁場和吸積物質電子性質的理論模型），但尚無法回答黑洞形成階段的問題。
廣州日報：是否大星系的中央都有這樣一個巨大的黑洞？宇宙的中心是否也有一個巨大的黑洞？
沈志強：是的，通常認為大多數(shù)星系中心是存在一個超大質量黑洞。今天我們知道我們所處的宇宙是各向同性，沒有一個宇宙中心。
廣州日報：這次的黑洞照片看起來與上次的M87*在周圍的亮點分布上看起來不一樣，這是為什么？
沈志強：大多數(shù)超大質量黑洞被熾熱且明亮的氣體環(huán)繞。這些氣體發(fā)出的光線被黑洞強大的引力所彎曲，使得Sgr A*和M87*都呈現(xiàn)出亮環(huán)結構。M87*尺寸巨大（是Sgr A*的1600多倍），氣體繞轉中央黑洞一周要花費相當長的時間；相對而言，Sgr A*周圍氣體只需幾分鐘即可繞轉一周。黑洞周圍環(huán)境的快速變化使得Sgr A*在長時間曝光情況下的成像呈現(xiàn)不同方位的亮斑分布。M87環(huán)亮的部分揭示了那部分氣體在向著我們運動，但是銀心黑洞環(huán)亮的部分位置尚不能得出確定的結論。
廣州日報：我們了解到，您從1997年開始就參與到對銀河系黑洞的觀測之中，能否簡敘其中的一些重要發(fā)現(xiàn)？
沈志強：是的，我們1997年的觀測主要是對來自銀心的輻射到達我們觀測者之間的星際散射效應有了更好的定量估算，使得人們確認在更短的觀測波長（如，毫米波、亞毫米波）上將有望看清Sgr A*的真面目。隨后于2002年我們成功對Sgr A*開展了在3.5毫米的高分辨率成像觀測并測得其內稟大小約為一個天文單位（一個天文單位是地球到太陽的平均距離，約1.5億公里）。接下來就是在1.3毫米的觀測，為此全球科學家不懈努力，從首次探測到信號，到建設新的亞毫米波VLBI望遠鏡、提升觀測性能、并開發(fā)數(shù)據(jù)分析新技術等，歷時20多年，終獲這次發(fā)布的銀心黑洞首張照片。
廣州日報：黑洞照片的發(fā)現(xiàn)對驗證廣義相對論有哪些幫助？
沈志強：黑洞是廣義相對論的預言。我們看到的黑洞圖像實際來自于黑洞周圍等離子體的輻射，正是這些發(fā)光的氣體勾畫出了黑洞附近極度彎曲的時空，可以用于對廣義相對論的驗證。
盡管兩個黑洞（M87*和Sgr A*）大小和質量相差了1600多倍，但M87黑洞和銀心黑洞的陰影卻非常相似。這與愛因斯坦的廣義相對論預測出奇一致。這些都提升了我們對銀河系中心所發(fā)生一切的認識，并為了解超大質量黑洞如何與周圍環(huán)境相互作用提供了全新視角。
神秘的黑洞：光也無法“逃逸”的天體
黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界（event horizon）逃脫的天體。 沈志強曾在一場科普講座中這樣介紹黑洞：“高中物理就學過逃逸速度的概念，比如地球的逃逸速度是11.2KM/s，也就是第二宇宙速度，在地球周圍運動的物體，如果速度小于逃逸速度，就無法掙脫地球引力，永遠都在地球的控制范圍內；但當物體超過這個速度，地球就無法再抓住它。類比黑洞，因為引力足夠大，在它附近的物體即使達到光速都無法掙脫黑洞引力，被永遠‘封印’住。”
沈志強表示：“黑洞的概念離不開愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論。廣義相對論告訴我們一個簡單的道理，就是物質的運動和時空是不可區(qū)分的，物質及其運動告訴時空如何彎曲，時空則告訴物質如何運動。到目前為止，所有的觀測都無法證明廣義相對論是有問題的。1915年，廣義相對論提出后不久，就已經有人推算出黑洞這一當時還存在于理論中的天體，而黑洞真正作為名詞出現(xiàn)是1967年。黑洞是非常致密的天體，它附近的任何輻射都不可能掙脫出來，所以中心永遠是黑色的。”
沈志強說：“我們描述黑洞非常簡單，只要有質量，我們就能知道它變成黑洞后的引力半徑。以太陽的質量來看，它要塌縮成6公里直徑的致密天體才能成為一個黑洞；而對于地球，則要縮到2厘米直徑，才能成為一個黑洞?！?/p>
銀心黑洞發(fā)現(xiàn)已有48年
要想證明黑洞確實存在，人類必須要能觀測到它。沈志強介紹，從20世紀六七十年代開始，天文學家們就開始了非常嚴肅地探討應該怎樣找到黑洞。1971年，科學家林頓·貝爾和馬丁·瑞斯就發(fā)表了一篇文章，提到要找到黑洞，最簡單的方式就是在人類所居住的銀河系中心尋找。文章還提到，使用VLBI技術（甚長基線干涉測量）也許是可行的。“VLBI就是利用分散在全世界的多臺射電望遠鏡，共同進行天文觀測。如今，VLBI技術經過發(fā)展，能達到非常高的空間分辨率，幾乎是哈勃望遠鏡的500倍?！?/p>
很快到了1974年，利用VLBI技術，科學家就發(fā)現(xiàn)在銀河系中心存在一個非常致密的天體。它隨后被公認為研究黑洞物理的最佳目標。
沈志強介紹，黑洞的視界半徑是0.08天文單位，VLBI是全球合作的EHT（事件視界望遠鏡）項目的技術基礎，它結合世界各地的射電望遠鏡，使許多相隔數(shù)十萬公里的獨立天線能互相協(xié)調、同時觀測同一目標并記錄下數(shù)據(jù)，形成一口徑等效于地球直徑的虛擬望遠鏡，將望遠鏡的角分辨率提升至足以觀測事件視界尺度結構的程度。EHT期望借此檢驗愛因斯坦廣義相對論在黑洞附近的強重力場下是否會產生偏差、研究黑洞的吸積盤及噴流、探討事件視界存在與否，并發(fā)展基本黑洞物理學。
值得一提的是，早在20世紀30年代，人類就“聽”到了銀河系中心的“聲音”。沈志強介紹，從伽利略到20世紀20年代，人類通常只能用眼睛觀察到光學波段的無線電信號。而射電望遠鏡的發(fā)明源自于一場“無心插柳”:20世紀30年代，美國貝爾實驗室的工程師央斯基想要提高美國到歐洲的無線電通話質量，試圖排除其他無線電干擾所產生的噪音，于是他設計了一款天線，尋找無線電干擾的來源，這種天線就像游樂場的旋轉木馬一樣在地面繞圈子。央斯基進行了很長時間觀測，最終發(fā)現(xiàn)這個噪音去不掉，因為它不是來自地球，而是來自宇宙，來自銀河系中央。
因此，“旋轉木馬”天線就是現(xiàn)代射電望遠鏡的雛形，沈志強介紹：“現(xiàn)在我們了解到，人眼能感受到的電磁波也就是可見光從波段來講是非常窄的。但射電譜段卻是非常長的。我們現(xiàn)在用的無線電、手機信號其實都處在射電譜段里，射電望遠鏡能探測到的深空信號非常微弱，所以假如我們去參觀FAST，是不許使用手機和wifi的，因為產生的無線電信號會對遙遠太空的信號產生干擾?！?/p>
沈志強表示：“銀河系中心在可見波段上幾乎永遠是漆黑一片，這是由于受到大量塵埃和氣體的遮擋，讓銀河系中心附近發(fā)出的1萬億個光子中只有1個可以達到地球。但在其他波段，我們所看到的圖像完全不一樣。銀河系是一個橢圓星系，如果我們有一天能夠不斷地靠近銀心，那我們還是能觀察到，黑洞周圍還是有很多恒星在繞著它轉。在銀河系中心還有非常復雜的物質和結構?！?/p>
“大科學需要大協(xié)作”：20多年專注研究一件事
沈志強從本科起到博士一直在天文學領域探索，他讀大學是在20世紀80年代，當時國家還不具備財力和設備去支持開展自己的天文觀測，因此最初他更喜歡理論方面的研究，后來才慢慢迷上天文觀測?！坝^測可以起到決定性作用，比如驗證一些理論，愛因斯坦提出廣義相對論至今已有100多年，我們還要通過天文觀測來檢驗他說得對不對?！?/p>
20世紀90年代，沈志強開展博士后研究，他師從國際著名天文學家、美國國立天文臺名譽臺長魯國鏞先生，“當時魯國鏞先生給了我兩個課題去選擇，一個是我現(xiàn)在做的銀河系中心的超大質量黑洞Sgr A*觀測，另一個如今也是前沿課題，在恒星形成領域。最后，我選擇了前者。”
沈志強自此開始了與黑洞的不解“情緣”。在隨后的20多年時間里，沈志強與合作者對銀河系中心超大質量黑洞開展了大量觀測。1997年，他使用分布在美國各地的10個25米口徑射電望遠鏡組成的甚長基線干涉陣，對Sgr A*開展了世界上首個五波段成圖觀測；2000年，他又遞交了全球首個在3毫米波長對Sgr A*的觀測計劃并獲得成功，耐心等待了20個月，終于在2002年11月3日當天，所有觀測點的天氣狀況達成了一致的良好條件，才進行了長達5小時的觀測。在完成大量的數(shù)據(jù)分析處理后，沈志強獲得了世界上首張3.5毫米波長的人馬座A*的高分辨率圖像，這張圖像在確認Sgr A*超大質量黑洞的同時，更將該黑洞的“照片”縮小到直徑1.5億公里的范圍內。2005年11月3日，該成果被《自然》雜志發(fā)表。
“我還是比較幸運的，20多年里不斷地有成果可以發(fā)表，有些科學家可能做了10年都沒有很好的結果，但這可能并不是最重要的。我覺得做科研是個過程，在這個過程中，堅持很重要?！鄙蛑緩娫鴮τ浾哒f，“我經常跟年輕學者說，要給自己5到10年，潛下心來在一個領域認認真真做。很多世界一流成果，從開始從事研究到最后獲得公認，往往是50年的時間投入，很多科學家?guī)缀跻簧荚谧鲆患隆Ｋ匀绻阆矚g這件事就要堅持，不要因為一些原因就放棄了。”
如今除EHT項目外，還有越來越多的國際科研合作項目正在開展?！按罂茖W需要大協(xié)作?！鄙蛑緩娬J為，這是大勢所趨，“科學技術發(fā)展到今天，既需要有牛頓、愛因斯坦這樣極其聰明的大腦，也需要各個國家在科研領域的相互協(xié)作。很多研究領域所需的人力、物力，已不是一個國家的能力所能及，需要全球科學家的參與?！?/p>
