作者:许琦敏 来源:文汇报 发布时间:2024/2/12 7:40:16
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孜孜以求“看清”黑洞,发出中国声音

 

与老家来上海的父母一起迎来龙年新春,赵杉杉这几天正准备行李和会议资料,明天她就要飞往日本参加一个学术会议。

作为中国科学院上海天文台黑洞成像研究团队最年轻的一员,赵杉杉自2020年加入团队,就乐此不疲地“代表人类探索黑洞”,并通过科普视频、讲座、文章,让更多人对这种宇宙中的神秘天体有更多了解。

就在身边不少同学、同行坚持不下去,转身离开这个领域时,赵杉杉感觉自己渐入佳境——这正是上海天文台黑洞成像团队带给她的力量,“站在巨人的肩膀上,星辰触手可及”。过去20多年,这支团队孜孜不倦地参与国际合作,为人类拍下首张黑洞照片、首次摄下黑洞“全景照”,在国际天文学前沿领域作出上海贡献,发出中国声音。

想尽各种办法只为“看清”黑洞

2019年4月,人类首张黑洞照片公布,那个温暖如烛光的“甜甜圈”引来了全世界对黑洞这个神秘而冷僻领域的关注。

1915年,爱因斯坦提出广义相对论,预言了黑洞的存在;直到1970年前后,天文学家才认定星系中心都藏着一个黑洞,并在1974年发现银河系中心有个“疑似黑洞”的致密射电源。从此,看清黑洞的模样,成为国际天文学前沿。             时光回转到1997年,如今已是上海天文台台长的沈志强研究员刚刚博士毕业。对“看清”黑洞的心驰神往,令他全身心投入其中。“那时要等上20个月,才能有5小时的观测机会。”沈志强回忆,由于可用于高分辨率甚长基线干涉测量(VLBI)观测的望远镜数量有限,他们不得不想尽办法提高观测精度,使无线电波的“视线”一步步接近银河系中心黑洞。2005年,沈志强领衔国际天文研究小组在《自然》杂志上发表世界首张3.5毫米观测波长的银心黑洞高分辨率图像。

单台望远镜口径不可能无限扩大,天文学家想到通过连接世界各地的射电望远镜,组成一台口径如同地球大小的虚拟“超级望远镜”,这促成了事件视界望远镜(EHT)国际合作。

2003年从国外访学归来,沈志强致力于推动上海65米天马望远镜的建设,联合国内学者参与EHT国际合作。终于,在2017年4月,全球六地8个观测台站共同开展了首次EHT观测,上海65米天马望远镜和新疆南山25米射电望远镜共同参与了EHT的多波段协同观测。

2020年基础物理学突破奖颁给了参与EHT合作的347位研究人员,中国大陆学者共有16人,其中有8位来自上海天文台。

在黑洞成像领域发出中国声音

在上海天文台的这8位成员中,河北小伙路如森可谓是学术领域的一位“先锋”。

在德国科隆大学和上海天文台获得博士学位后,路如森长期在德国马普射电天文研究所和美国麻省理工学院从事黑洞成像研究。2018年,路如森携全家带着多年研究积累来到上海天文台射电天文科学与技术研究室,“在黑洞成像领域,国内基础比较薄弱,但我相信,中国一定能在这个领域做出引领性成果”。

现代天文观测并没有普通人想象中那么浪漫。很多世界一流望远镜都选址在高原、沙漠,获取数据除了要熬夜,还要忍受高原反应。路如森回忆起在EHT联测台址之一——夏威夷麦克斯韦望远镜(JCMT)值守的日子:稀薄的空气令人感到呼吸困难,24小时值守只分两班,每天还必须将沉重的磁盘扛上机器,不出差错地安装上去……

相比观测值守的艰苦,路如森觉得,打破已有研究的“天花板”,用引领性成果发出“中国声音”更具挑战。

回国后,路如森在上海天文台前期工作基础上,憋着一股劲儿,开展国际最前沿的1毫米波段成像研究。他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,还牵头几十名国际同行开展合作。

开发新算法、回应国外同行质疑,路如森不厌其烦地打磨研究成果。2023年,他牵头国际团队首次在3.5毫米波段捕获M87黑洞及其周围吸积流和喷流的一同成像,实现给活动星系核“中央引擎”拍摄“全景照”的突破,相关结果发表在《自然》杂志上。

推动建设我国亚毫米波望远镜

EHT联测获取的数据量十分惊人。在2017年4月的观测中,8个台站在5天观测期间共记录了约3500TB的数据——如果像看电影一样不间断地看,这些数据至少需要500多年才能看完。

为此,数据处理在黑洞成像中起着极为关键的作用。让上海天文台射电天文科学与技术研究室副研究员江悟意想不到的是,自己五六年前搭建的上海天文台处理平台竟发挥了大用处。

“当时,成图工作组成员都用个人电脑计算成图,我用超算平台处理,比其他人快了数百倍。”江悟说,由于黑洞成像需要成图与校准过程的相互反复迭代,因此超算平台成了最强装备,上海的这个超算平台连续几个月满负载运行。

黑洞照片已经拍到,未来还将做什么?沈志强透露,天文学家正在考虑如何为黑洞“拍电影”,看到它大口吞噬物质、射出数千光年喷流的真实活动状态,观测波段还将进一步提升到0.87毫米以上。

近年来,该团队成员已为此多次前往西藏选址,推动实施我国亚毫米波望远镜及阵列。“建造中国自己的黑洞‘摄影机’,才能掌握更多科研主动权。”赵杉杉目前担任着亚毫米波望远镜前期项目——5米口径毫米波测试望远镜项目的秘书。去年年底,这台的“大锅”刚刚吊上座架。春节过后他们又将启程,向着“看清”黑洞的梦想。

【团队小传】

中国科学院上海天文台20多年坚持致力于超大质量黑洞的高分辨率观测研究,形成了一支高水平科研团队。近年来,该团队牵头大陆学者参与事件视界望远镜(EHT)国际合作,共同于2019年在M87星系中心捕获人类首张黑洞照片、2022年获得银河系中心黑洞(人马座A*)照片,前者获得2020年基础物理学科学突破奖。2023年,由该团队领衔的国际合作小组发布了M87黑洞的“全景照”。目前,团队正在为下一代黑洞成像积极推动建设我国亚毫米波望远镜。

 
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