11月17日消息，奮力的近義詞2019未來科學(xué)大獎(jiǎng)周于11月13-17日舉行，作為全球最負(fù)盛名的科學(xué)類獎(jiǎng)項(xiàng)活動(dòng)之一，今年未來論壇著力打造為期一周的大獎(jiǎng)周系列活動(dòng)，旨在以更高的水準(zhǔn)打造2019年度國際性科學(xué)盛宴。

　　在2019 未來科學(xué)大獎(jiǎng)高峰論壇上，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)臺(tái)長沈志強(qiáng)在論壇上發(fā)表了題為：“看見黑洞”的演講。

　　以下為演講全文：

　　各位朋友早上好！今天我給大家報(bào)告的題目叫“看見黑洞”。從這個(gè)題目看有兩個(gè)關(guān)鍵詞，一個(gè)是“黑洞”，一個(gè)是“看見”。先跟大家說一下黑洞，這里顯示的黑洞圖片大家可能都已看到過，據(jù)說到現(xiàn)在全球有45億人看到過這張照片。什么是黑洞？很簡單，黑洞它是沒有邊界，這里畫的只是一種示意，實(shí)際上這個(gè)是事件視界，當(dāng)然黑洞里面更是看不到因?yàn)闆]有光線可以從里面出來，所以是漆黑一片。如果你靠的太近，你就“掉”進(jìn)去永遠(yuǎn)出不來了，這是一個(gè)非常形象化的黑洞的表示。當(dāng)然我們?nèi)祟惻艿迷倏煲灿邪涯闶�縛住的地方。

　　想象在我們地球上是什么把我們大家拽著，是地球萬有引力。我們知道把火箭擺脫地球引力的話，要每秒11.2公里的速度才能逃離地球。太陽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將近60公里每秒，這在我們?nèi)祟愊胂笾惺呛芸斓乃俣�。但是�?shí)際上我們知道所有現(xiàn)在物理世界傳播或者運(yùn)動(dòng)最快的速度是光的速度，30萬公里每秒。它是什么概念，2秒鐘就能從月球往返一次。用簡單的牛頓動(dòng)力學(xué)可以得到逃離速度，當(dāng)它的動(dòng)能和勢能達(dá)到平衡，當(dāng)然如果勢能更大就跑不出去了。進(jìn)一步設(shè)想如果速度達(dá)到光速你也逃不出它的引力會(huì)是什么樣的情形？

　　這是1915年，大概100年以前愛因斯坦提出的概念，他把我們的時(shí)空跟我們的物質(zhì)和能量有機(jī)地統(tǒng)一在一起，實(shí)際上就像我們現(xiàn)在時(shí)空每個(gè)人都是聯(lián)系在一塊兒，所以你可以看到物質(zhì)與能量告訴你時(shí)空該怎么彎曲，而時(shí)空的彎曲告訴你物質(zhì)怎么運(yùn)動(dòng)，這是廣義相對論的直接聯(lián)系。1915年廣義相對論出來后，1916年當(dāng)時(shí)德國科學(xué)家史瓦西得出了第一個(gè)黑洞的數(shù)學(xué)描述。但是在隨后的將近半個(gè)世紀(jì)，更多的對黑洞的研究相對于我們今天的黑洞研究只是停留在一個(gè)概念上。

　　在上個(gè)世紀(jì)1967年，惠勒教授第一次提出黑洞這個(gè)詞，也就是差不多50年前我們才有了黑洞這個(gè)術(shù)語。這個(gè)黑洞是非常致密的天體引力塌縮的結(jié)果。我們知道恒星有生也有死，但恒星死亡有不同的結(jié)局，一種叫白矮星，另外一種中子星，還有一種如果它的恒星的質(zhì)量是5-8個(gè)太陽質(zhì)量甚至更大的時(shí)候，它可能最終的宿命就是一個(gè)黑洞。但是另外一個(gè)我今天要說的黑洞就是百萬太陽質(zhì)量級的，剛才我們嘉賓主持武向平院士提到了，就是存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞的存在。所以黑洞非常簡單，待會(huì)兒茍利軍研究員會(huì)提到它有自旋，它會(huì)轉(zhuǎn)。

　　那我這里只用一個(gè)量，就是它的質(zhì)量，我們不去談這里的一些物理參數(shù)，如光速，引力常數(shù)等，黑洞的大小就可以用它的質(zhì)量代表。對于一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞的引力半徑，只有1.5公里，所以假想我們的地球如果變成一個(gè)黑洞，其直徑大小不到2厘米，整個(gè)地球全部壓縮在這樣個(gè)空間里。因?yàn)楹诙粗車鷱?qiáng)引力的效應(yīng)，使它周邊的光線，格羅瑪什要塞電磁波輻射，在靠近黑洞周邊就出不來，這也就是在圖上看到的相對比較暗的區(qū)域。

　　但是問題來了，是不是所有的星系中都有一個(gè)黑洞，就是大質(zhì)量黑洞。實(shí)際上現(xiàn)在答案幾乎都是有的。但怎么去找？其實(shí)差不多也是在50年前，在上個(gè)世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)了一種叫做類星體的天體，用中文翻譯就是像一顆恒星一樣的天體，其實(shí)它不是恒星，它能量超大，當(dāng)時(shí)為了解釋它為什么那么亮，它能量來自哪里，Lynden-Bell和Rees，他們現(xiàn)在是國際上非常著名的天文學(xué)家，在這篇文章中就用了黑洞這個(gè)概念，認(rèn)為可能是來自于黑洞的吸積。當(dāng)時(shí)這是理論學(xué)家的探索，我們說眼見為實(shí)，我們希望回答這樣的黑洞到底有沒有，到哪兒去找。這篇文章非常經(jīng)典，它在最后列出了一個(gè)可以檢驗(yàn)黑洞存在的觀測清單。他們說有可能仔我們的銀河系中心，看到一個(gè)大概在0.5流量單位大小尺寸不到一個(gè)毫角秒的射電輻射天體，這是1971年發(fā)表的文章。

　　在這之后天文學(xué)家開始大量的尋找觀測，在這之前我先說一下什么是射電天文，射電天文是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室工程師央斯基在尋找影響美國到歐洲大陸的無線電通信干擾原因，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)這個(gè)干擾信號怎么也去不掉，既不來自于地球，也不來自于太陽系，而是來自于宇宙。該發(fā)現(xiàn)于1933年正式發(fā)表，由此標(biāo)志著射電天文的誕生，到現(xiàn)在不到百年的歷史。這張照片是央斯基當(dāng)時(shí)用的設(shè)備，這是后來復(fù)制的一個(gè)設(shè)備。射電跟光學(xué)，伽瑪射線等都是電磁波，但射電頻率覆蓋非常寬，可見光很窄，然后利用剛才說的甚長基線干涉技術(shù)（VLBI）觀測可以達(dá)到非常高的空間分辨能力，它是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的500倍。另外射電天文往往是探測早期的冷暗宇宙。紅移z代表距離，在近空間哈勃望遠(yuǎn)鏡看的比我們清楚，但到遠(yuǎn)的，光學(xué)波段基本看不到，射電波段則能看到更多。所以射電波段對我們來說非常重要，我們說上個(gè)世紀(jì)60年代的四大天文發(fā)現(xiàn)，類星體，脈沖星，星際分子和宇宙微波背景輻射均來自射電天文觀測，而在這四大發(fā)現(xiàn)里面，格羅瑪什要塞除了類星體，都拿了諾貝爾獎(jiǎng)。迄今為止，13項(xiàng)授予天文學(xué)獎(jiǎng)的諾貝爾物理獎(jiǎng)中有6項(xiàng)是射電天文學(xué)的成果。可以看出射電天文在短短不到百年的歷史對我們?nèi)祟愑^測宇宙認(rèn)識(shí)宇宙起的作用。而且在射電天文之前我們?nèi)祟愑醚劬Ω兄�到光學(xué)觀測，射電天文打開了我們用整個(gè)電磁波觀測。目前國際最大地面天文項(xiàng)目ALMA和SKA都工作在射電波段。

　　與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡同樣的道理，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，看的越清晰，越能分辨出細(xì)節(jié)。按照我們專業(yè)的術(shù)語，分辨物體的本領(lǐng)是觀測波長除上你的口徑大小，所以口徑越大能觀測到的細(xì)節(jié)越清楚，波長越短觀測的細(xì)節(jié)越清楚�，F(xiàn)在我們知道貴州的500米天眼，它可能是最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡的終結(jié)者，不可能做的比它更大了，但怎么去擴(kuò)大我們的分辨本領(lǐng)呢？通過VLBI技術(shù)，將兩個(gè)沒有物理連接的望遠(yuǎn)鏡，通過非常準(zhǔn)確的信號記錄，在后期做相關(guān)處理，等效實(shí)現(xiàn)了虛擬的望遠(yuǎn)鏡口徑等同于基線的長度。所以你可以想象，放在地球上最大能達(dá)到地球直徑的尺度，甚至可以放在空間，達(dá)到更高分辨率的觀測，這是VLBI技術(shù)的優(yōu)勢。

　　剛才說到1971年科學(xué)家提出來找黑洞，很快就是大量的觀測，利用當(dāng)時(shí)地球上已有的歐洲，澳大利亞和美國射電望遠(yuǎn)鏡都在分頭找。1974年的2月份銀河系中心黑洞射電源首次被發(fā)現(xiàn)就是利用干涉儀，當(dāng)時(shí)組成干涉儀的一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡口徑也不大，僅14m，這個(gè)14米的望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)在看來都不算什么，但是當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)起了很大作用，第一次探測銀心的致密射電源信號，大小在0.6個(gè)流量單位，跟預(yù)言的差不多，但是它的整個(gè)大小尺度非常小，當(dāng)時(shí)沒有分解，跟預(yù)言非常切合。

　　所以這是我們現(xiàn)在看到的銀河系中心黑洞。黑洞概念提出100年來，很長一段時(shí)間，銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的唯一的一個(gè)合適的超大質(zhì)量黑洞目標(biāo)，因?yàn)樗�離我們是最近的，兩萬六千光年，但已經(jīng)超越了人類想象的距離。黑洞視界半徑是0.08個(gè)天文單位，天文單位就是地球到太陽的平均距離，1億五千萬公里。

　　值得一說的是在不同波段可見光，紅外，X射線，射電看到整個(gè)銀河系是不一樣，這是設(shè)想我們在銀道面上看到的銀河系結(jié)構(gòu)。光學(xué)波段的銀河系中心最黑，根本看不到，1萬億個(gè)光子發(fā)出來，拉薩之虎其實(shí)只有一個(gè)光子被我們收到，因?yàn)楸淮罅康膲m埃與等離子體吸收了。隨著分辨率的提高，你會(huì)不斷看到里面隱含著非常豐富的結(jié)構(gòu)，其中最致密的對應(yīng)銀河系中心黑洞，我們叫SgrA*，*是激發(fā)態(tài)的意思，就是表示它是能量源。在1974年發(fā)現(xiàn)后，很快就有測量它的大小到底是多少，發(fā)現(xiàn)它的大小非常有意思，點(diǎn)點(diǎn)娛樂和波長的平方成正比，這啟發(fā)科學(xué)家來自銀河系中心的輻射受到散射效應(yīng)。這是我們在1997年首次在5個(gè)不同波段的測量結(jié)果，你看在波長越長的測量得到的SgrA*圖像也越大，這與我們在雨夜看街燈會(huì)非常模糊是一個(gè)道理。這告訴我們什么？這個(gè)示意圖它實(shí)際上把本來是一個(gè)點(diǎn)，一個(gè)非常致密的點(diǎn)，到這里變成一個(gè)有一定大小的面，這里有個(gè)散射效應(yīng)。散射效應(yīng)與波長的平方乘正比，顯然為了去除散射，要尋求更短波長上的觀測，所以我們又開始尋求3毫米的VLBI觀測。

　　這是2001年發(fā)表的我們第一次做的3毫米觀測，但當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡非常有限，只是證實(shí)了我們的理解還是對的，但是并不能告訴我們它真正的細(xì)節(jié)。這是我們團(tuán)隊(duì)的工作，在2002年3.5毫米得到了黑洞這一張照片，但是這還不夠接近黑洞。

　　我們3.5毫米結(jié)果發(fā)表后的Nature的評論上放了這張圖片，這就是今天要談的黑洞的陰影，但這是來自數(shù)值模擬的結(jié)果。那時(shí)候引力波還沒有發(fā)現(xiàn)，用到的是另外一個(gè)干涉儀，大家也知道，后來的引力波也被證實(shí)。

　　我們現(xiàn)在就去看廣義相對論預(yù)言的黑洞陰影，這是可以算出來，剛剛說到描述黑洞的參數(shù)就是一個(gè)質(zhì)量加上一個(gè)自轉(zhuǎn)，當(dāng)然可能還有帶的電荷。所以可以看到，有這樣一個(gè)黑洞的存在使得我們在地球上觀測到的是，相對周圍中央是暗的，陰影就是這么來的。這個(gè)陰影大小約5.2倍黑洞視界，對銀河系中心和M87黑洞大概是50微角秒，這是非常小的，20微角秒等同于在地球上看月球上一個(gè)蘋果的大小。非常有意思，在1973年巴丁第一次說，仔細(xì)去算你看過去的黑洞陰影，可能概念上非常有趣，但是天體物理不是那么重要，他認(rèn)為很不幸可能沒有希望看到這樣的效應(yīng)。而在2000年的模擬工作表明對我們銀河中心黑洞，我們很有可能看到中間暗兩邊亮的結(jié)構(gòu)。我們繼續(xù)去尋找，陰影無處不在，如果相對論是對的話。黑洞質(zhì)量越大，視界半徑越大，陰影直徑也越大。銀河系中心的距離和質(zhì)量與M87的相差都是2000倍左右，因此對我們地球上的觀察者都張著類似的角大小，就像我們看月亮和太陽都是類似的30角分的一個(gè)概念。

　　我們怎么去看呢？就要用到VLBI技術(shù)，分辨本領(lǐng)跟波長和口徑有關(guān)系，我們希望分辨本領(lǐng)更高就需要觀測波長更段，而望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，在地球上可以達(dá)到一萬公里。我們想想看我們用什么樣的望遠(yuǎn)鏡才能看呢，假定我們要得到20微角秒分辨率，工作在1.3毫米波長，這樣的望遠(yuǎn)鏡的口徑應(yīng)該是大概1萬公里，這樣我們才有希望看到，這是數(shù)值模擬得到的黑洞陰影大小，這個(gè)地球大小的工作在1.3毫米的望遠(yuǎn)鏡就是我們今天知道的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。這是2008年開始做，當(dāng)時(shí)僅有三個(gè)望遠(yuǎn)鏡對銀河系中心和M87進(jìn)行了測量，但還沒能看到圖像。我們要繼續(xù)往前。到2016年年底全世界相關(guān)研究人員合作，這是當(dāng)時(shí)成員來自世界各地的分布，在美國波士頓郊外開了這個(gè)會(huì)。這是9個(gè)望遠(yuǎn)鏡，阿丁新浪博客分布在全球6個(gè)地方，包括智利的阿塔卡馬沙漠有三個(gè)望遠(yuǎn)鏡，以及在美國的夏威夷的2個(gè)，分析表明這個(gè)事件視界望遠(yuǎn)鏡在230GHz的觀測可以得到20個(gè)微角秒。

　　這是2017年4月份我們對銀心和M87兩個(gè)主要目標(biāo)進(jìn)行觀測，這示意著隨著地球自轉(zhuǎn)，天空目標(biāo)在不同望遠(yuǎn)鏡觀測得到的數(shù)據(jù)采樣，你會(huì)看到這個(gè)代表分辨本領(lǐng)。當(dāng)數(shù)據(jù)越來越多的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)圖越來越清晰，你可以看到這是全球大概一萬公里的參數(shù)，這里值得一提的是這些臺(tái)站都坐落在非常高海拔地區(qū)，除了在南極是2800米，其中都是3000—5000海拔的高度上。

　　這張圖顯示了在觀測期間的情形，,綠的表示在參與觀測，綠線表示有數(shù)據(jù)記錄，因?yàn)橛袝r(shí)候目標(biāo)在某個(gè)臺(tái)站是看不到的，所以你看這是代表我們實(shí)際觀測在不同時(shí)候它切換到不同的目標(biāo)。M87是主要觀測目標(biāo)，我們還同時(shí)觀測其它目標(biāo)，這些紅點(diǎn)代表沒有觀測。這是4月6日那天，望遠(yuǎn)鏡怎么觀測，怎么協(xié)調(diào)，這是一個(gè)過程。這是我國科學(xué)家在夏威夷參與完成15米JCMT的觀測運(yùn)行時(shí)觀測人員的合影，當(dāng)然還有其他的望遠(yuǎn)鏡的協(xié)同觀測。

　　觀測結(jié)束時(shí)，我們并沒有辦法馬上直接得到圖像，要對數(shù)據(jù)預(yù)處理，所有觀測臺(tái)站記錄到共約3500T的數(shù)據(jù)量。這里要做的相關(guān)處理，我不展開，整個(gè)數(shù)據(jù)分析要做相當(dāng)多的反復(fù)和相當(dāng)多檢查，包括用不同方法來驗(yàn)證反復(fù)處理數(shù)據(jù)，直到最后的科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布�，F(xiàn)在科學(xué)數(shù)據(jù)在文章發(fā)表之后對全世界公開使用。當(dāng)時(shí)有四個(gè)不同的組，相互之間是不知道結(jié)果，用它們自己熟悉的方法來做獨(dú)立的工作，最后來比對發(fā)現(xiàn)共同的圖像特征還是可以的。所以在這個(gè)情況還要對整個(gè)參數(shù)空間做大量的比對，因?yàn)檫@里面最擔(dān)心就是有一些因?yàn)閿?shù)據(jù)不足帶來認(rèn)識(shí)上的不夠。

　　在今年4月10號在美國天體物理學(xué)雜志通信上發(fā)表了這個(gè)系列文章，可以看到不同日期觀測到的圖像非常相近，但是也看到在不同的天還是有變化。這個(gè)視頻顯示M87位于室女座方向的一個(gè)巨橢圓星系，距離地球約5500萬光年，中心黑洞質(zhì)量是太陽的65億倍。這是在光學(xué)哈勃望遠(yuǎn)鏡噴流的物質(zhì)，繼續(xù)往里面看，最終我們看到這樣的黑洞照片。

　　這張顯示了M87星系從20萬光年的大尺度一直到現(xiàn)在0.1光年尺度上的圖像。當(dāng)時(shí)它的質(zhì)量測量有兩個(gè)結(jié)果，現(xiàn)在知道是65億倍太陽質(zhì)量，當(dāng)時(shí)從氣體動(dòng)力學(xué)得到的是30億倍太陽質(zhì)量。黑洞照片告訴我們什么，黑和洞！中間是我們太陽系的示意圖，太陽在這，海王星在這，旅行者現(xiàn)在還沒有走出它的視界范圍，這是非常大的尺度。實(shí)際上我們擬合的數(shù)據(jù)非常好，最后得到這是個(gè)有自旋的65億太陽質(zhì)量的黑洞。

　　這是我們當(dāng)時(shí)在觀測申請書中的預(yù)言，亮環(huán)的增亮部分是在北邊，而不照片顯示的南邊。這是由于黑洞自轉(zhuǎn)方向的不同所致。黑洞在空間自旋跟我們當(dāng)初假設(shè)不一樣，現(xiàn)在我們看到南北不對稱且南邊偏亮，分析表明南北不對稱是黑洞自旋引起，M87黑洞自旋方向遠(yuǎn)離地球。該黑洞照片證明愛因斯坦依然沒有錯(cuò)。

　　我們得到這些物理參數(shù)，時(shí)間原因就不展開。當(dāng)時(shí)這張圖在4月10號在全球6個(gè)主要的地方發(fā)布，我們在上海天文臺(tái)舉辦了這樣一個(gè)新聞發(fā)布，當(dāng)時(shí)我得到的統(tǒng)計(jì)大概在不到一周有4800多篇報(bào)道，直播視頻有5000萬人觀看。今年9月5號，EHT團(tuán)隊(duì)的347位共同獲得了2020年基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)，頒獎(jiǎng)儀式已在9月3號在美國舉行，這是一篇論文上的合作者名單。值得一說的是EHT是個(gè)亞毫米波陣，這是日，韓與我們中國合作組成的VLBI干涉網(wǎng)，東亞VLBI網(wǎng)，在首張黑洞照片的1.3毫米的EHT觀測期間，上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡作為東亞VLBI網(wǎng)主要成員參與的2017年3-5月間密集的（17次）毫米波（7毫米，13毫米）VLBI協(xié)同觀測，為M87黑洞成像的流量校準(zhǔn)做出了貢獻(xiàn)。

　　下一步怎么做，從科學(xué)觀測方面，現(xiàn)在正在進(jìn)行的一個(gè)工作是關(guān)于M87偏振圖像，還有就是銀河系中心第一個(gè)圖像，當(dāng)然還有其他目標(biāo)。從技術(shù)上我們希望能在更高的頻率上觀測，我們希望有更加靈敏的儀器。這是7月15-19的的偏振工作周。

　　這里可以看到為了檢驗(yàn)現(xiàn)有的理論模型，需要有更清晰的圖像，我們期待要更靈敏的觀測，更好的數(shù)據(jù)。

　　這是一個(gè)銀心黑洞，這是運(yùn)動(dòng)學(xué)角度很多恒星在銀心黑洞吸引下運(yùn)動(dòng)，得到中央黑洞是400萬個(gè)太陽質(zhì)量。這是我演講的小結(jié)，我們從來沒有像現(xiàn)在這樣通過EHT可以如此近距離看到黑洞。

　　謝謝大家，最后請?jiān)试S我占用些時(shí)間給大家播放一個(gè)關(guān)于EHT望遠(yuǎn)鏡協(xié)同觀測的視頻，這是在不同臺(tái)站的望遠(yuǎn)鏡參與EHT觀測的情況。這是在南極的望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)然在南極是看不到M87，它主要是參與對其他目標(biāo)的觀測。EHT亞毫米波觀測對天氣條件要求非�？量�，每年只能在4月份。

　　謝謝大家！

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