黑洞團隊成員吳慶文教授：今晚公布的黑洞圖片是直接觀測到的圖像

長江日報融媒體4月10日訊（記者楊佳峰 通訊員王瀟瀟）“這次是直接觀測圖像，類似超級相機拍攝，回來洗照片。”10日上午，參與觀測超級黑洞的團隊成員之一的華中科技大學物理學院教授吳慶文接受長江日報專訪時表示，這次觀測超級黑洞，不是模擬更不是想象，而是真實的圖片。

吳慶文教授說，黑洞就是一臺超級發(fā)動機，不僅吞噬物質(zhì)還向宇宙空間以接近光速拋射物質(zhì)，他們課題組前期一直在進行研究。“這次工作主要分為觀測、數(shù)據(jù)處理、理論分析等。全球有200人參與，中國團隊十余個成員，參與了上述不同方向。 我主要參與了一些理論分析。”

黑洞模擬圖 吳慶文供圖

為何能拍攝到黑洞圖片

為何能觀測到黑洞的圖像？吳慶文教授解釋，黑洞就是一個時空漩渦，是彎曲的空間和彎曲的時間構(gòu)成的，別無其他（看似古怪、高深、晦澀難懂的事實）。黑洞存在一個視界，視界內(nèi)部時空高度扭曲，連光都無法逃脫，一切物質(zhì)掉入視界范圍，它就會消失得無影無蹤，奔向奇點，因此像一個無底洞，即我們說的“黑洞”。花花世界、愛恨情仇、金銀財寶進入黑洞就只剩下質(zhì)量、自旋和電荷三種信息（所謂‘三毛’定理）。雖然黑洞不發(fā)光，但其具有強大的引力，可以將周圍的物質(zhì)吸引過來，形成繞其轉(zhuǎn)動的吸積盤，由于吸積盤不同半徑處轉(zhuǎn)動速度不同導(dǎo)致摩擦升溫，把吸積物質(zhì)的引力變成輻射，從而被我們觀測到。

吳慶文教授透露，關(guān)于本次公布的這個黑洞照片，他和研究生馮建超博士過去幾年進行了系列研究，對黑洞吞噬物質(zhì)過程、黑洞自旋等重要信息做了較好限定，提出這次視界望遠鏡觀測的黑洞圖像應(yīng)該是來自黑洞吞噬的物質(zhì)，而非相對論性噴流。此外，還發(fā)現(xiàn)這個巨型黑洞很有可能是高速自轉(zhuǎn)的。這次拍攝的黑洞照片，較好地支持了我們前面的研究結(jié)果。“我們還在天文方面國際頂級雜志上，對黑洞照片進行了理論計算。”

“真是拍照不易，洗照片更難。”吳慶文教授說，在觀測成功以后，由于甚長基線干涉陣數(shù)據(jù)處理相對較為復(fù)雜，而且涉及站點很多，每晚的數(shù)據(jù)量達2PB（1PB=1000TB=1000000GB），這和歐洲大型對撞機一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差不多。為了保證準確性，觀測數(shù)據(jù)用三種完全獨立的流程以及多個獨立小組進行處理，以保證結(jié)果的準確性。全球望遠鏡組網(wǎng)觀測這個黑洞，每年時間窗口只有10來天，2017年就是4月4日~15日左右，非常難得。這些望遠鏡，必須把數(shù)據(jù)寄到一個地方進行綜合處理，然后才能分析。 而且處理過程非常復(fù)雜，要不同獨立小組，結(jié)果幾乎相同才會向外發(fā)布，因此非常耗時。

最早的黑洞圖片是模擬圖

“這是一個模擬圖，但很像真的。 其中中心陰影就是黑洞的暗影，那個亮環(huán)就是黑洞周圍等離子體發(fā)的光。”吳慶文教授說，“人類首張黑洞照片”是在2016年發(fā)現(xiàn)引力波之后人們尋找到了愛因斯坦廣義相對論最后一塊缺失的拼圖。這次望遠鏡分辨率比著名的哈勃望遠鏡分辨率提高了2000倍以上，可以分辨40萬公里以外月球上一個乒乓球大小。

中國第一顆X射線衛(wèi)星-慧眼已經(jīng)在天上搜尋黑洞等高能天體，和繼任者-中科院啟動了增強型X射線時變與偏振天文臺也將于2025年左右發(fā)射，這個繼任者很多性能都達到了國際領(lǐng)先，因此也將會將黑洞相關(guān)研究推向新的高潮。

中國天琴計劃是未來20年搜索黑洞利器

“天琴計劃將是未來20年左右搜索黑洞利器。”吳慶文教授介紹，天琴空間引力波探測器計劃在2030-2035年間發(fā)射，在10萬公里高度的地球軌道上部署三顆繞地球運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，組成臂長17萬公里的等邊三角形，組成空間引力波探測器。天琴引力波探測器將可以探測到宇宙誕生初期第一代恒星或氣體云塌縮形成的雙大黑洞合并產(chǎn)生的引力波，這將有利于我們理解宇宙早期種子黑洞 、黑洞的增長歷史以及星系演化等重大天文與物理學問題。

天琴空間引力波探測器計劃在2030-2035年間發(fā)射，在10萬公里高度的地球軌道上部署三顆繞地球運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，組成臂長17萬公里的等邊三角形，組成空間引力波探測器。吳慶文供圖

此外， 一個大黑洞俘獲星系中心的一個致密天體（如恒星級黑洞、中子星、白矮星等）產(chǎn)生的引力波也在天琴等空間引力波探測范圍內(nèi)（所謂的‘極端質(zhì)量比旋進系統(tǒng)’），如果大黑洞吞噬中子星或白矮星，如果這些小的致密天體被潮汐瓦解，我們將不僅能看到引力波信號，同時也可能看到電磁信號。因此，天琴等空間引力波計劃必將成為下一個20年探測宇宙黑洞的利器，特別是將可能會搜尋到大量的中等質(zhì)量黑洞，將會對綠化黑洞沙漠起到關(guān)鍵作用。同時還會在檢驗黑洞“無毛”定理和修改的引力理論、利用黑洞研究宇宙學等方面發(fā)揮極其重要的作用。

吳慶文 圖片來自華科物理學院官網(wǎng)

對話吳慶文教授

記者：關(guān)于黑洞是天文觀測還是數(shù)字模型？現(xiàn)有的圖片是制作而成的嗎？

吳慶文：這次是直接觀測圖像，類似超級相機拍攝，回來洗照片。

記者：如果是數(shù)據(jù)分析，我們怎么相信這些數(shù)據(jù)？

吳慶文：甚長基線干涉技術(shù)，在上世紀70年代獲得了諾貝爾獎，是非常成熟的技術(shù)，中國的甚長基線觀測網(wǎng)在我國探月工程中也廣泛使用。這次數(shù)據(jù)處理是在毫米波段的望遠鏡陣列，數(shù)據(jù)處理比以前更為復(fù)雜，為了保證準確性，觀測數(shù)據(jù)用三種完全獨立的流程以及多個獨立小組進行處理，直到大家結(jié)果相同，才會發(fā)布，因此時間有些長。

記者：黑洞是真實存在，還是一種科學結(jié)論？

吳慶文：黑洞的存在，科學家已經(jīng)比較確信了，已經(jīng)有非常多的間接觀測證據(jù)，只不過這次是直接觀測到了。現(xiàn)在基本認為每個星系中心都存在一個超大質(zhì)量黑洞（百萬-百億太陽質(zhì)量），每個星系中還存在數(shù)億個恒星級黑洞（3-100太陽質(zhì)量）。2016年引力波的發(fā)現(xiàn)，是恒星級黑洞存在的非常好的證據(jù)。這次又看到了宇宙中超大質(zhì)量黑洞存在的證據(jù)，因此人們越來越不懷疑它的真實性了。

記者：為什么照片到今天才公布？

吳慶文：   如前所述，黑洞數(shù)據(jù)量太大，處理復(fù)雜，需要很多團隊合作，相互獨立確認結(jié)果的正確性，這也是國際慣例，任何科學結(jié)果，最好都通過多個不同小組獨立處理，得到一樣的結(jié)果，才認為是可信的。

記者：為什么需要那么多人、那么多國家參與？

吳慶文：視界望遠鏡，涉及全球近10架毫米波望遠鏡，屬于不同國家和地區(qū)，要協(xié)同合作才能保證同時觀測，因此需要多國眾多研究所和科學家共同參與完成。

記者：華中科技大學在其中做了哪些工作？中國又有哪些貢獻？

吳慶文： 中國科學團隊主要包括中科院上海天文臺、云南天文臺、中科院高能所、北京大學、華中科技大學、南京大學、中國科學技術(shù)大學等10余位科學家參與，其中在觀測、數(shù)據(jù)處理和理論分析等方面都有貢獻。 華科團隊參與了理論分析。

吳慶文簡介：1978年出生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。2012年獲得華中科技大學－學術(shù)新人獎，2013年獲得教育部－新世紀優(yōu)秀人才計劃，2016年獲得中國自然科學基金委－優(yōu)秀青年科學基金。目前是國際天文學聯(lián)合會會員（IAU），中國天文學會理事、湖北省天文學會副理事長。