未来科学大奖周|沈志强：看见黑洞
11月17日消息，奋力的近义词2019未来科学大奖周于11月13-17日举行，作为全球最负盛名的科学类奖项活动之一，今年未来论坛着力打造为期一周的大奖周系列活动，旨在以更高的水准打造2019年度国际性科学盛宴。
在2019 未来科学大奖高峰论坛上，中国科学院上海天文台台长沈志强在论坛上发表了题为：“看见黑洞”的演讲。
以下为演讲全文：
各位朋友早上好！今天我给大家报告的题目叫“看见黑洞”。从这个题目看有两个关键词，一个是“黑洞”，一个是“看见”。先跟大家说一下黑洞，这里显示的黑洞图片大家可能都已看到过，据说到现在全球有45亿人看到过这张照片。什么是黑洞？很简单，黑洞它是没有边界，这里画的只是一种示意，实际上这个是事件视界，当然黑洞里面更是看不到因为没有光线可以从里面出来，所以是漆黑一片。如果你靠的太近，你就“掉”进去永远出不来了，这是一个非常形象化的黑洞的表示。当然我们人类跑得再快也有把你束缚住的地方。
想象在我们地球上是什么把我们大家拽着，是地球万有引力。我们知道把火箭摆脱地球引力的话，要每秒11.2公里的速度才能逃离地球。太阳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将近60公里每秒，这在我们人类想象中是很快的速度。但是实际上我们知道所有现在物理世界传播或者运动最快的速度是光的速度，30万公里每秒。它是什么概念，2秒钟就能从月球往返一次。用简单的牛顿动力学可以得到逃离速度，当它的动能和势能达到平衡，当然如果势能更大就跑不出去了。进一步设想如果速度达到光速你也逃不出它的引力会是什么样的情形？
这是1915年，大概100年以前爱因斯坦提出的概念，他把我们的时空跟我们的物质和能量有机地统一在一起，实际上就像我们现在时空每个人都是联系在一块儿，所以你可以看到物质与能量告诉你时空该怎么弯曲，而时空的弯曲告诉你物质怎么运动，这是广义相对论的直接联系。1915年广义相对论出来后，1916年当时德国科学家史瓦西得出了第一个黑洞的数学描述。但是在随后的将近半个世纪，更多的对黑洞的研究相对于我们今天的黑洞研究只是停留在一个概念上。
在上个世纪1967年，惠勒教授第一次提出黑洞这个词，也就是差不多50年前我们才有了黑洞这个术语。这个黑洞是非常致密的天体引力塌缩的结果。我们知道恒星有生也有死，但恒星死亡有不同的结局，一种叫白矮星，另外一种中子星，还有一种如果它的恒星的质量是5-8个太阳质量甚至更大的时候，它可能最终的宿命就是一个黑洞。但是另外一个我今天要说的黑洞就是百万太阳质量级的，刚才我们嘉宾主持武向平院士提到了，就是存在于星系中心的超大质量黑洞的存在。所以黑洞非常简单，待会儿苟利军研究员会提到它有自旋，它会转。
那我这里只用一个量，就是它的质量，我们不去谈这里的一些物理参数，如光速，引力常数等，黑洞的大小就可以用它的质量代表。对于一个太阳质量的黑洞的引力半径，只有1.5公里，所以假想我们的地球如果变成一个黑洞，其直径大小不到2厘米，整个地球全部压缩在这样个空间里。因为黑洞周围强引力的效应，使它周边的光线，格罗玛什要塞电磁波辐射，在靠近黑洞周边就出不来，这也就是在图上看到的相对比较暗的区域。
但是问题来了，是不是所有的星系中都有一个黑洞，就是大质量黑洞。实际上现在答案几乎都是有的。但怎么去找？其实差不多也是在50年前，在上个世纪60年代发现了一种叫做类星体的天体，用中文翻译就是像一颗恒星一样的天体，其实它不是恒星，它能量超大，当时为了解释它为什么那么亮，它能量来自哪里，Lynden-Bell和Rees，他们现在是国际上非常著名的天文学家，在这篇文章中就用了黑洞这个概念，认为可能是来自于黑洞的吸积。当时这是理论学家的探索，我们说眼见为实，我们希望回答这样的黑洞到底有没有，到哪儿去找。这篇文章非常经典，它在最后列出了一个可以检验黑洞存在的观测清单。他们说有可能仔我们的银河系中心，看到一个大概在0.5流量单位大小尺寸不到一个毫角秒的射电辐射天体，这是1971年发表的文章。
在这之后天文学家开始大量的寻找观测，在这之前我先说一下什么是射电天文，射电天文是美国贝尔实验室工程师央斯基在寻找影响美国到欧洲大陆的无线电通信干扰原因，结果他发现这个干扰信号怎么也去不掉，既不来自于地球，也不来自于太阳系，而是来自于宇宙。该发现于1933年正式发表，由此标志着射电天文的诞生，到现在不到百年的历史。这张照片是央斯基当时用的设备，这是后来复制的一个设备。射电跟光学，伽玛射线等都是电磁波，但射电频率覆盖非常宽，可见光很窄，然后利用刚才说的甚长基线干涉技术（VLBI）观测可以达到非常高的空间分辨能力，它是哈勃空间望远镜的500倍。另外射电天文往往是探测早期的冷暗宇宙。红移z代表距离，在近空间哈勃望远镜看的比我们清楚，但到远的，光学波段基本看不到，射电波段则能看到更多。所以射电波段对我们来说非常重要，我们说上个世纪60年代的四大天文发现，类星体，脉冲星，星际分子和宇宙微波背景辐射均来自射电天文观测，而在这四大发现里面，格罗玛什要塞除了类星体，都拿了诺贝尔奖。迄今为止，13项授予天文学奖的诺贝尔物理奖中有6项是射电天文学的成果。可以看出射电天文在短短不到百年的历史对我们人类观测宇宙认识宇宙起的作用。而且在射电天文之前我们人类用眼睛感知到光学观测，射电天文打开了我们用整个电磁波观测。目前国际最大地面天文项目ALMA和SKA都工作在射电波段。
与光学望远镜同样的道理，射电望远镜的口径越大，看的越清晰，越能分辨出细节。按照我们专业的术语，分辨物体的本领是观测波长除上你的口径大小，所以口径越大能观测到的细节越清楚，波长越短观测的细节越清楚。现在我们知道贵州的500米天眼，它可能是最大的单口径望远镜的终结者，不可能做的比它更大了，但怎么去扩大我们的分辨本领呢？通过VLBI技术，将两个没有物理连接的望远镜，通过非常准确的信号记录，在后期做相关处理，等效实现了虚拟的望远镜口径等同于基线的长度。所以你可以想象，放在地球上最大能达到地球直径的尺度，甚至可以放在空间，达到更高分辨率的观测，这是VLBI技术的优势。
刚才说到1971年科学家提出来找黑洞，很快就是大量的观测，利用当时地球上已有的欧洲，澳大利亚和美国射电望远镜都在分头找。1974年的2月份银河系中心黑洞射电源首次被发现就是利用干涉仪，当时组成干涉仪的一个射电望远镜口径也不大，仅14m，这个14米的望远镜，现在看来都不算什么，但是当时发现起了很大作用，第一次探测银心的致密射电源信号，大小在0.6个流量单位，跟预言的差不多，但是它的整个大小尺度非常小，当时没有分解，跟预言非常切合。
所以这是我们现在看到的银河系中心黑洞。黑洞概念提出100年来，很长一段时间，银河系中心超大质量黑洞的唯一的一个合适的超大质量黑洞目标，因为它离我们是最近的，两万六千光年，但已经超越了人类想象的距离。黑洞视界半径是0.08个天文单位，天文单位就是地球到太阳的平均距离，1亿五千万公里。
值得一说的是在不同波段可见光，红外，X射线，射电看到整个银河系是不一样，这是设想我们在银道面上看到的银河系结构。光学波段的银河系中心最黑，根本看不到，1万亿个光子发出来，拉萨之虎其实只有一个光子被我们收到，因为被大量的尘埃与等离子体吸收了。随着分辨率的提高，你会不断看到里面隐含着非常丰富的结构，其中最致密的对应银河系中心黑洞，我们叫SgrA*，*是激发态的意思，就是表示它是能量源。在1974年发现后，很快就有测量它的大小到底是多少，发现它的大小非常有意思，点点娱乐和波长的平方成正比，这启发科学家来自银河系中心的辐射受到散射效应。这是我们在1997年首次在5个不同波段的测量结果，你看在波长越长的测量得到的SgrA*图像也越大，这与我们在雨夜看街灯会非常模糊是一个道理。这告诉我们什么？这个示意图它实际上把本来是一个点，一个非常致密的点，到这里变成一个有一定大小的面，这里有个散射效应。散射效应与波长的平方乘正比，显然为了去除散射，要寻求更短波长上的观测，所以我们又开始寻求3毫米的VLBI观测。
这是2001年发表的我们第一次做的3毫米观测，但当时的望远镜非常有限，只是证实了我们的理解还是对的，但是并不能告诉我们它真正的细节。这是我们团队的工作，在2002年3.5毫米得到了黑洞这一张照片，但是这还不够接近黑洞。
我们3.5毫米结果发表后的Nature的评论上放了这张图片，这就是今天要谈的黑洞的阴影，但这是来自数值模拟的结果。那时候引力波还没有发现，用到的是另外一个干涉仪，大家也知道，后来的引力波也被证实。
我们现在就去看广义相对论预言的黑洞阴影，这是可以算出来，刚刚说到描述黑洞的参数就是一个质量加上一个自转，当然可能还有带的电荷。所以可以看到，有这样一个黑洞的存在使得我们在地球上观测到的是，相对周围中央是暗的，阴影就是这么来的。这个阴影大小约5.2倍黑洞视界，对银河系中心和M87黑洞大概是50微角秒，这是非常小的，20微角秒等同于在地球上看月球上一个苹果的大小。非常有意思，在1973年巴丁第一次说，仔细去算你看过去的黑洞阴影，可能概念上非常有趣，但是天体物理不是那么重要，他认为很不幸可能没有希望看到这样的效应。而在2000年的模拟工作表明对我们银河中心黑洞，我们很有可能看到中间暗两边亮的结构。我们继续去寻找，阴影无处不在，如果相对论是对的话。黑洞质量越大，视界半径越大，阴影直径也越大。银河系中心的距离和质量与M87的相差都是2000倍左右，因此对我们地球上的观察者都张着类似的角大小，就像我们看月亮和太阳都是类似的30角分的一个概念。
我们怎么去看呢？就要用到VLBI技术，分辨本领跟波长和口径有关系，我们希望分辨本领更高就需要观测波长更段，而望远镜的口径越大，在地球上可以达到一万公里。我们想想看我们用什么样的望远镜才能看呢，假定我们要得到20微角秒分辨率，工作在1.3毫米波长，这样的望远镜的口径应该是大概1万公里，这样我们才有希望看到，这是数值模拟得到的黑洞阴影大小，这个地球大小的工作在1.3毫米的望远镜就是我们今天知道的事件视界望远镜（EHT）。这是2008年开始做，当时仅有三个望远镜对银河系中心和M87进行了测量，但还没能看到图像。我们要继续往前。到2016年年底全世界相关研究人员合作，这是当时成员来自世界各地的分布，在美国波士顿郊外开了这个会。这是9个望远镜，阿丁新浪博客分布在全球6个地方，包括智利的阿塔卡马沙漠有三个望远镜，以及在美国的夏威夷的2个，分析表明这个事件视界望远镜在230GHz的观测可以得到20个微角秒。
这是2017年4月份我们对银心和M87两个主要目标进行观测，这示意着随着地球自转，天空目标在不同望远镜观测得到的数据采样，你会看到这个代表分辨本领。当数据越来越多的时候，你会发现这个图越来越清晰，你可以看到这是全球大概一万公里的参数，这里值得一提的是这些台站都坐落在非常高海拔地区，除了在南极是2800米，其中都是3000—5000海拔的高度上。
这张图显示了在观测期间的情形，,绿的表示在参与观测，绿线表示有数据记录，因为有时候目标在某个台站是看不到的，所以你看这是代表我们实际观测在不同时候它切换到不同的目标。M87是主要观测目标，我们还同时观测其它目标，这些红点代表没有观测。这是4月6日那天，望远镜怎么观测，怎么协调，这是一个过程。这是我国科学家在夏威夷参与完成15米JCMT的观测运行时观测人员的合影，当然还有其他的望远镜的协同观测。
观测结束时，我们并没有办法马上直接得到图像，要对数据预处理，所有观测台站记录到共约3500T的数据量。这里要做的相关处理，我不展开，整个数据分析要做相当多的反复和相当多检查，包括用不同方法来验证反复处理数据，直到最后的科学数据发布。现在科学数据在文章发表之后对全世界公开使用。当时有四个不同的组，相互之间是不知道结果，用它们自己熟悉的方法来做独立的工作，最后来比对发现共同的图像特征还是可以的。所以在这个情况还要对整个参数空间做大量的比对，因为这里面最担心就是有一些因为数据不足带来认识上的不够。
在今年4月10号在美国天体物理学杂志通信上发表了这个系列文章，可以看到不同日期观测到的图像非常相近，但是也看到在不同的天还是有变化。这个视频显示M87位于室女座方向的一个巨椭圆星系，距离地球约5500万光年，中心黑洞质量是太阳的65亿倍。这是在光学哈勃望远镜喷流的物质，继续往里面看，最终我们看到这样的黑洞照片。
这张显示了M87星系从20万光年的大尺度一直到现在0.1光年尺度上的图像。当时它的质量测量有两个结果，现在知道是65亿倍太阳质量，当时从气体动力学得到的是30亿倍太阳质量。黑洞照片告诉我们什么，黑和洞！中间是我们太阳系的示意图，太阳在这，海王星在这，旅行者现在还没有走出它的视界范围，这是非常大的尺度。实际上我们拟合的数据非常好，最后得到这是个有自旋的65亿太阳质量的黑洞。
这是我们当时在观测申请书中的预言，亮环的增亮部分是在北边，而不照片显示的南边。这是由于黑洞自转方向的不同所致。黑洞在空间自旋跟我们当初假设不一样，现在我们看到南北不对称且南边偏亮，分析表明南北不对称是黑洞自旋引起，M87黑洞自旋方向远离地球。该黑洞照片证明爱因斯坦依然没有错。
我们得到这些物理参数，时间原因就不展开。当时这张图在4月10号在全球6个主要的地方发布，我们在上海天文台举办了这样一个新闻发布，当时我得到的统计大概在不到一周有4800多篇报道，直播视频有5000万人观看。今年9月5号，EHT团队的347位共同获得了2020年基础物理学突破奖，颁奖仪式已在9月3号在美国举行，这是一篇论文上的合作者名单。值得一说的是EHT是个亚毫米波阵，这是日，韩与我们中国合作组成的VLBI干涉网，东亚VLBI网，在首张黑洞照片的1.3毫米的EHT观测期间，上海65米天马望远镜作为东亚VLBI网主要成员参与的2017年3-5月间密集的（17次）毫米波（7毫米，13毫米）VLBI协同观测，为M87黑洞成像的流量校准做出了贡献。
下一步怎么做，从科学观测方面，现在正在进行的一个工作是关于M87偏振图像，还有就是银河系中心第一个图像，当然还有其他目标。从技术上我们希望能在更高的频率上观测，我们希望有更加灵敏的仪器。这是7月15-19的的偏振工作周。
这里可以看到为了检验现有的理论模型，需要有更清晰的图像，我们期待要更灵敏的观测，更好的数据。
这是一个银心黑洞，这是运动学角度很多恒星在银心黑洞吸引下运动，得到中央黑洞是400万个太阳质量。这是我演讲的小结，我们从来没有像现在这样通过EHT可以如此近距离看到黑洞。
谢谢大家，最后请允许我占用些时间给大家播放一个关于EHT望远镜协同观测的视频，这是在不同台站的望远镜参与EHT观测的情况。这是在南极的望远镜，当然在南极是看不到M87，它主要是参与对其他目标的观测。EHT亚毫米波观测对天气条件要求非常苛刻，每年只能在4月份。
谢谢大家！
