银河系中心黑洞首张照片背后:科学家花了几十年研究

袁峰在科普讲座上向公众解释宇宙“甜甜圈”。照片由受访者提供

中国科学院上海天文台研究员袁峰与甜甜圈结下了不解之缘。33544年5月16日，他参与的视界望远镜项目(EHT)捕捉到了银河系中心第一个超大质量黑洞人马座A*的首张照片，3354，一个巨大的宇宙甜甜圈。

这张照片来自银河系中心，距离我们27000光年。中国大陆有16名研究人员，袁峰是其中之一。

袁峰从1994年读天体物理学博士开始，就和甜甜圈打了28年的交道。这张五月份的照片实际上是EHT团队拍摄的第二张黑洞照片。第一张黑洞照片发表于2019年4月。当时，EHT宣布获得了第一张黑洞M87的照片。照片的中心是一个近似圆形的黑暗区域，周围是一个发光的绿色防护罩，形似一个金色的“甜甜圈”。

很多人不理解，既然科学家早在2019年就已经拍摄到了黑洞，为什么还要在2022年再次拍摄呢？科学家想证明什么问题？

袁峰告诉中国青年报中青网记者，其实一张“甜甜圈”黑洞的照片看起来差不多，但在不同的假设环境下都有重要的价值。

“我们拍的照片，准确地说，不是黑洞本身，而是黑洞周围的吸积流。这些吸积流被一种强大的中心引力吸引，而这种引力来自黑洞。”袁峰说，“甜甜圈”外环闪亮的金环其实是吸积流。吸积流中的气体在黑洞引力作用下落到黑洞中。在下落过程中，它们变热，然后发出强烈的辐射。照片中看到的明亮光环是这些非常热的气体发出的辐射。

天体物理学家纳拉扬等人发现，宇宙中存在两种吸积流，一种是“正常”吸积流，另一种是“疯狂”吸积流，前者磁场较弱，后者磁场较强。除了磁场，两种吸积流在其他方面是不同的，它们也决定了黑洞喷流的形成。

袁峰告诉记者，黑洞照片拍摄的一个重要价值在于，它在强引力场的环境下“检验了爱因斯坦的广义相对论”。广义相对论是描述物质间引力相互作用的理论，由阿尔伯特爱因斯坦于1915年完成，1916年正式发表。这个理论第一次把引力场等同于时空的曲率。

他介绍，100年前，也有科学家对广义相对论进行过测试，但当时都是在弱引力场中进行测试，而在弱场中，广义相对论和牛顿力学两种理论差别不大。只有在强引力场的环境下，两者才会有明显的差异。

黑洞是用来检验广义相对论的合适的强引力场。

“广义相对论和量子力学的理论是物理学领域最好的理论，也是现代物理学最重要的基础。”袁峰说，以人们日常使用的卫星导航系统为例，它也需要依赖广义相对论。在这个理论的基础上，工程师们把“导航”变成了现实。“比如用牛顿的力学理论导航，误差可能是1-2公里，而要精确定位，就必须依靠广义相对论。”

今天科学家拍摄的黑洞照片与100多年前基于广义相对论计算的“黑洞模型照片”一致，表明广义相对论通过了这一检验。

袁峰并不是EHT项目中的“摄影师”，而是这个项目中解释“你为什么拍照”的理论研究者之一。

"吸积流被吸入的过程中有许多有趣的现象."他介绍，黑洞本身不发光。要找到黑洞，最重要的是找到它周围的吸积流气体。“根据我们的计算和预测，真正的黑洞比这张‘甜甜圈’图中的黑色部分要小。”

袁峰的“计算”是解一个黑洞吸积流的复杂方程组。这个方程的复杂程度远远超出了普通人的想象。这个方程组从20世纪60年代就开始被科学家关注，解这个方程的每一小步都值得发表一篇高水平的学术论文。20世纪90年代，袁峰在哈佛大学的博士后导师纳拉扬发现了这个方程的创新解，使人们对宇宙黑洞的认识迈出了重要一步。因此，他当选为美国科学院院士。

“我当时写了一篇还算不错的论文，在韩国举行的一次国际会议上做了报告。”袁峰告诉记者，“我的导师后来告诉我，当我听到我的报告时，我想过给我留一个博士后的位置。”

2002年到哈佛大学报到后，天文系负责接待的秘书见到袁峰后说：“早就想见你了！数百人申请了这位教授的博士后职位。不知道他把这个位置留给了什么样的人。”

令这位著名教授惊讶的是，10年后的2012年，他最喜欢的博士后袁峰通过理论分析和大规模数值模拟，首次证明吸积流中确实存在强烈的外流，从而推翻了他在1999年提出的著名的吸积流“对流”理论。直到2014年，纳拉扬才在与袁峰的多次讨论中接受了他的最新研究成果。

2005年，在德国马普射电天文研究所、美国哈佛大学和普渡大学做博士后的袁峰决定回国。“我只是喜欢中国的文化和环境。国外环境再好，也不是为中国人设计的。在那里没有归属感和认同感。”袁峰说。

这种归属感和认同感包括向中国公众普及天文知识和天体物理知识。

“全国只有十几所大学有天文系，而美国排名前100的大学几乎家家都有天文系。这门看似无用的学科是最重要的基础学科之一。

他也希望这张漂亮的“甜甜圈”照片，能成为青少年朋友们“遵循兴趣、保持好奇心”的“诱饵”，“希望我们的孩子们未来选择学习、工作方向时，都能遵循自己原本的兴趣，保持对大自然的好奇。”

之所以选择天体物理，也是袁峰本人的兴趣所在。读硕士期间，他曾一度从理论物理专业换到量子化学专业，但3年读研时间里，他发现自己对广义相对论的兴趣与日俱增，“我觉得广义相对论很优美，很喜欢，所以我报考了中科大的天体物理专业博士，从此一直在研究天体物理。”