專(zhuān)家視野
茍利軍：視界面望遠鏡與首張黑洞照片
——訪(fǎng)中國科學(xué)院國家天文臺研究員茍利軍
日前，由世界各地8個(gè)天文臺的亞毫米射電望遠鏡組成的虛擬望遠鏡網(wǎng)絡(luò )“視界面望遠鏡”，結束了對銀河系中心黑洞Sgr A*和星系M87中的黑洞的觀(guān)測?？茖W(xué)家們將用一年左右的時(shí)間分析相關(guān)數據，預計2018年黑洞會(huì )首次向人類(lèi)露出“真容”。不過(guò)遺憾的是，在這次的全球協(xié)作中，沒(méi)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(fǎng)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(lèi)
記者：我們之前也看過(guò)一些黑洞的模擬照片，為什么說(shuō)這次是人類(lèi)首次看到黑洞？
茍利軍：我研究黑洞快20年了，但包括我在內的科學(xué)家都沒(méi)有真的看到過(guò)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，限于望遠鏡分辨率，我們無(wú)法直接看到黑洞。所以，我們之前都是用觀(guān)察吸積盤(pán)和噴流等間接方法來(lái)探測黑洞，然后根據理論進(jìn)行計算，模擬出黑洞的樣子。
這次是人類(lèi)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)亞毫米射電望遠鏡從地球同時(shí)對黑洞開(kāi)展觀(guān)測，這8個(gè)射電望遠鏡有單鏡、也有望遠鏡陣列，聯(lián)合起來(lái)能夠“拼成”一個(gè)與地球直徑一樣大的虛擬望遠鏡。我們都知道望遠鏡的分辨率取決于望遠鏡的口徑，但在這個(gè)虛擬望遠鏡網(wǎng)絡(luò )中，分辨率取決于望遠鏡之間的距離。分布在地球各處的射電望遠鏡極大地提高了虛擬望遠鏡的空間分辨率，從而讓天文學(xué)家能夠分清黑洞。然后應用大型計算機對海量數據進(jìn)行合并與分析，產(chǎn)生黑洞的圖像。為了處理這些海量數據，美國麻省理工學(xué)院等機構的科學(xué)家還特意開(kāi)發(fā)了新的算法，以加快數據分析。
記者：那么這次可以看到黑洞內部的情況嗎？是不是說(shuō)我們可以全面了解黑洞了？
茍利軍：不能這么說(shuō)。這次我們還只能看到黑洞的“外貌”，依然看不到黑洞的內部。這里我們要說(shuō)一個(gè)概念：視界面。黑洞的全部質(zhì)量可以認為幾乎都集中在其最中心的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)周?chē)鷷?huì )形成一個(gè)強大的引力場(chǎng)，在一定范圍內，連光線(xiàn)都無(wú)法逃脫。這個(gè)光線(xiàn)都不能逃脫的臨界半徑就被稱(chēng)為“視界面”——也就是視線(xiàn)所能達到的邊界。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，黑洞內部我們還無(wú)法看到。
黑洞會(huì )威脅地球安全嗎
記者：地球會(huì )有被黑洞“吞噬”的危險嗎？
茍利軍：地球沒(méi)有被黑洞“吞噬”的危險。我們現在理論認為，恒星質(zhì)量大小的黑洞是由質(zhì)量大于太陽(yáng)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(wú)限小、密度無(wú)限大的星體。這也就是說(shuō)，太陽(yáng)不會(huì )變成黑洞，最后會(huì )變成白矮星。
即便太陽(yáng)所在的位置有一個(gè)黑洞，地球也不會(huì )有危險。因為只有和黑洞足夠近，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了20多個(gè)恒星量級的黑洞，但根據理論推算，銀河系中應該存在上千萬(wàn)個(gè)這樣的黑洞。但這個(gè)數量相較于銀河系的體積來(lái)說(shuō)，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(yáng)換成一個(gè)同等質(zhì)量的黑洞，我們的地球運行也不會(huì )受到任何的影響。所以，地球沒(méi)有被黑洞“吞噬”的危險。
記者：如果黑洞不會(huì )威脅地球，又這樣難以觀(guān)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(dòng)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(zhù)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(wèn)。例如能讓我們更深入理解愛(ài)因斯坦的廣義相對論，對其作出最為嚴格的限制。還有，科學(xué)家之前發(fā)現，黑洞不僅能“捕捉”光線(xiàn)和一切“路過(guò)”的物質(zhì)，而且也有拋射氣體的噴流現象——一部分氣體在掉入黑洞視界面之前，在磁場(chǎng)的作用下被沿轉動(dòng)方向拋射出去，形成非常壯觀(guān)的噴流現象。但我們對噴流的形成機制等情況并不清楚，希望這次能告訴我們更多視界面的細節，為我們研究相關(guān)問(wèn)題提供更多證據。
中國科學(xué)家為何沒(méi)有參與其中
記者：這次視界面望遠鏡拍攝黑洞應該算是國際天文學(xué)界的大事了，中國科學(xué)家有參與嗎？
茍利軍：據我所知，中國科學(xué)家沒(méi)有直接參與觀(guān)測。不過(guò)8個(gè)望遠鏡中有一個(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行的。
記者：那中國科學(xué)家為什么沒(méi)有深度參與這個(gè)項目呢？
茍利軍：為了這5天的觀(guān)測，科學(xué)家們已經(jīng)準備了十多年。一開(kāi)始是美國和歐洲的科學(xué)家在分頭進(jìn)行類(lèi)似的這個(gè)項目，后來(lái)發(fā)覺(jué)獨立利用各自的望遠鏡達不到所需要的分辨率，然后兩者就合并形成了現在的這個(gè)視界面望遠鏡組織，而中國科學(xué)家一直沒(méi)有直接參與這個(gè)項目。
同時(shí)，天文觀(guān)測高度依賴(lài)儀器設備。我們前面說(shuō)過(guò)，觀(guān)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(wàn)公里，但觀(guān)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(guān)測中，有個(gè)望遠鏡尤其重要，一個(gè)是位于智利的ALMA毫米望遠鏡陣列，它在2013年才全部建成投入運行，它的靈敏度是目前單陣列中最高的，將視界面的望遠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(guān)測地點(diǎn)，它的觀(guān)測時(shí)間也非常寶貴。另外一個(gè)望遠鏡是位于南極洲的望遠鏡，它極大地增加了望遠鏡的分辨率。正是因為這兩個(gè)望遠鏡的強力加入才讓這一項目成為可能。
中國過(guò)去觀(guān)測設備與國際先進(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鏡在我國只有兩個(gè)，一個(gè)在德令哈、一個(gè)在羊八井。因為尺寸有限，即便它們加入虛擬望遠鏡系統，可能對提高其空間分辨率的貢獻也不大。而8臺望遠鏡要在同一時(shí)間進(jìn)行觀(guān)測，需要用到相干技術(shù)，比如觀(guān)測之前要對所有望遠鏡進(jìn)行校準，可能還要對終端設備進(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(méi)有參與到這一項目，會(huì )不會(huì )覺(jué)得有些遺憾？
茍利軍：當然覺(jué)得遺憾。不過(guò)現在天文領(lǐng)域國際化合作越來(lái)越多，中國也在積極參加，我們希望通過(guò)國際合作縮短差距。比如國際上計劃建設的最新一代30米口徑光學(xué)望遠鏡，我們國家天文臺也參與了。
中國也在不斷提高自己的觀(guān)測能力和觀(guān)測水平，比如貴州的500米口徑射電望遠鏡等。
有人曾質(zhì)疑我們目前在建或計劃建設的望遠鏡的水平落后于國際先進(jìn)水平，但核心技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)的，只能靠自己攻關(guān)，必須一步一步來(lái)。我們可以快走幾步，盡快趕上來(lái)。
我相信，隨著(zhù)中國天文觀(guān)測能力、水平的提高，這種遺憾會(huì )越來(lái)越少，中國科學(xué)家將為科學(xué)的發(fā)展作出更大貢獻。
（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(cháng)度甚至超過(guò)它們所在星系的跨度。但又不全是如此，比如Sgr A*的噴流或許因為太小或太微弱，以至于至今沒(méi)有被發(fā)現。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(zhù)突出角色，特別是通過(guò)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(cháng)?？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。
驗證愛(ài)因斯坦引力理論：觀(guān)察視界面的大小和形狀，將能夠首次在超大質(zhì)量黑洞周?chē)臉O端空間驗證愛(ài)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。物理學(xué)家評論：“我們在觀(guān)測一個(gè)我們不一定知道其物理規律的空間?！?/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(lái)解釋當物質(zhì)因為自重塌縮時(shí)可能會(huì )發(fā)生的情景。其中某些理論認為這并不會(huì )形成黑洞，因為引力導致的塌縮會(huì )在恒星殘骸越過(guò)“無(wú)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硬表面的輻射。但是安達盧西亞天體物理所的天體物理學(xué)家認為，能找到這類(lèi)天體實(shí)屬碰運氣，“我有些懷疑這次觀(guān)測能否分辨經(jīng)典黑洞和更為奇異的天體”。
