作者:裴龙翔 来源:工人日报 发布时间:2024/4/8 8:59:29
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中国科学院黑洞成像团队:“对话”宇宙 定格黑洞

 

黑洞,究竟是怎样神秘的存在?得益于一张张照片,人类对它的认知一步步具象化——

2019年4月,由事件视界望远镜(EHT)拍下的人类首张黑洞照片——M87星系中心超大质量黑洞照片发布,震惊世界;

3年后,由EHT拍摄的银河系中心黑洞照片首发,从强引力场角度验证了爱因斯坦的广义相对论;

此后一年不到,国际研究团队首次拍摄到了M87的黑洞“全景照”,黑洞阴影、吸积盘和喷流同时定格在一张照片中。

这3张标志性的照片,展现了中国科学院上海天文台黑洞成像研究团队从积极参与,到在世界黑洞研究前沿占据一席之地的成长足迹。“天文无疑是浪漫的,但研究人员更多时候是在默默无闻地长期深耕。”中国科学院上海天文台台长沈志强如此描述这个仰望星空的团队。

打破研究“天花板”

1997年,沈志强博士毕业,“看清”黑洞对他似乎有着无穷吸引力,“那时要等上20个月,才有5小时观测机会。”

此后的5年间,他和同事们开展了20多次高分辨率VLBI(甚长基线干涉测量)观测,其间的每一步工作都代表了当时该领域的最新进展。2005年,沈志强领衔国际天文研究小组在《自然》杂志上发表了世界首张3.5毫米观测波长的银河系中心黑洞高分辨率图像。

“我回国,就是想把国内黑洞成像研究推进到国际先进水平。”一路求学,路如森始终将导师沈志强的愿望记在心里。2018年,他带着多年的研究积累回国,加入上海天文台射电天文科学与技术研究室。

“科学需要辩论,已有的研究‘天花板’需要被打破,更要发出‘中国声音’。”路如森憋着一股干劲儿,在上海天文台已有研究基础上着力开展国际最前沿的1毫米波段成像研究。

2023年,他牵头国际团队完成对M87黑洞及其周围环境的成像研究,首次在新波段捕获该黑洞的照片,实现了给活动星系核的“中央引擎”拍摄“全景照”的突破。研究成果在《自然》杂志发表后,在全球引发广泛关注。

“昂贵”的计算

想从地球上看见黑洞,必须使用在亚毫米波段工作的望远镜,而亚毫米波天文观测需要干燥的天气环境和稀薄的大气,因此位于夏威夷的休眠火山口成了天文观测圣地。

上海天文台射电天文科学与技术研究室副研究员江悟有幸去现场参加了事件视界望远镜的观测。“除了高原反应引起的气喘和些许头痛外,印象最深的就是虽然是在半夜观测,但大家都热情高涨,工作起来一丝不苟。”江悟回忆说,有时会在凌晨返回基地的途中,见到其他火山口冒出的火星,被大自然的力量深深震撼。

赵杉杉是上海天文台高分辨射电天体物理课题组的一名90后青年研究人员,她所在的理论工作组需要将模型图像库与观测数据进行比较,筛选出最优模型。

黑洞周围的环境非常复杂,导致很多物理参数具有不确定性,每张模型图像背后都需要大量的人力和算力。一次数值模拟需要在超级计算机上运算几周到几个月,如果参数变动就要重新计算。“从这个角度看,黑洞图像的理论解释非常‘昂贵’。”赵杉杉说。

给黑洞拍“电影”

“以前,我认为做科研就是坐在电脑前推公式、写代码,从没想过还可以参与建设望远镜。”为了早日用上我国自己的设备给黑洞拍照,赵杉杉跟随团队去西藏进行了考察,寻找合适的站址。

“为了在下一步给黑洞拍摄‘电影’的研究中抢占制高点,拥有更多国际学术话语权,我们必须要有自己的观测设备。”路如森清楚,未来还有很长的路要走。为此,上海天文台已推动实施了我国毫米波VLBI实验系统建设,积极推动在西部地区建设亚毫米波望远镜及阵列,并发展相关观测设施。

江悟也在为推进亚毫米波望远镜建设努力,“多频同时接收技术是未来的发展趋势,它能够探测更弱的信号,这样就有望观测到更多的黑洞图像。”

“公众对我们的研究成果非常感兴趣,总是会提出很多问题。这时我会真切感受到,探索未知是人类的天性。”赵杉杉表示,作为探索黑洞的“先遣队”,将最新的科研成果带给公众是责任和义务,自己也在交流中收获着分享的快乐。

 
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