致本间教授听着！
有史以来第一个黑洞直到成像成功距离第 1 部分

为什么我决定从事天文学事业

── 本间先生是天文学家，永田先生是天文馆解说员，两人都从事天文工作。你为什么决定走这条路？

本间──我从小就喜欢星星，仰望夜空，观察流星雨。我在横滨长大，所以没见过多少星星，但我一直在思考太空的浪漫，想知道“夜空之外是什么样的世界？”

永田──是否有任何天文现象引发了这种情况？

本间──我记不太清楚了，但当人们谈论一场大流星雨即将到来时，我记得深夜出去躺在外面看着天空。剩下的就是一颗彗星。初中的时候，哈雷彗星看不太清楚，但后来的海尔-波普彗星（图1）和百武彗星却清晰可见。当时我已经是一名研究生，正在学习探索太空，所以给我留下了深刻的印象。

[图1]哈勒波普彗星的图像，拍摄于1997年3月，在东京大学研究生院科学研究生院天文学教育研究中心木曾天文台
©NAOJ（国家天文台）

── 顺便问一下，永田先生，你为什么会成为天文馆解说员呢？

永田──我从小就喜欢看夜空和星星。最大的触发因素是看到月全食。我不仅知道而且亲眼目睹了地球、月亮和太阳等天体的运动，这让我深受感动。还有，当我还是学生的时候，我就被美国的行星探测器航行者号探索太阳系各个行星所感动。我特别喜欢土星，所以当我看到Voyager拍摄的照片时我很高兴。从那时起，我就开始强烈地感觉到自己将来要和明星合作。

本间──但是天文学是一个非常狭窄的领域

永田──起初，我去了附近的一家天文馆，询问如何才能成为一名天文馆讲解员。然后，当我告诉学校老师我想从事天文学工作时，天文馆的人联系了我，从那里我能够收到有关我的职业道路的信息。

后来，在我上大学的时候，我有机会在天文馆兼职做翻译，毕业后，我正好在当时位于涩谷的后岛天文馆招聘翻译职位，幸运的是我得到了这份工作。这是与许多不同的人的联系和相遇的结果。

本间──天文馆解说员的职位空缺不多。也许是运气，但最重要的是，我认为这是因为永田先生一心一意的热情。

日本国家天文台水泽 VLBI 天文台，采访地点

“黑洞”是一个什么样的天体？

── 今年4月，宣布国际团队历史上首次成功拍摄到“黑洞阴影”，本间先生作为日本团队的领队活跃在其中。

永田──黑洞是一个什么样的天体？

本间──黑洞是非常奇怪的物体。首先，它非常小。由于它是一颗比太阳小得多的塌缩天体，所以它的引力极强。因此，它吸收光和气体，一旦进入，就没有任何东西可以逃脱。这是一种被称为“单向洞”的神秘天体，宇宙中存在这样的天体真是奇迹。

永田──过去，我们甚至不知道这样的天体是否存在。你是怎么找到它的？

本间──在 20 世纪 60 年代，我们使用称为 X 射线的特殊电磁波观测了一个名为 Cygnus X-1 的天体。他们发现X射线在短时间内剧烈波动。这表明气体被吸入一个极小的天体，并且X射线从气体中发射出来。由此推测“也许他们捕获了落入黑洞的气体。”

永田──发射X射线的不是黑洞本身，而是它周围的气体，对吧？

本间──是的。黑洞只会吸入任何东西，不会释放任何东西。气体附着在黑洞周围，形成所谓的“吸积盘”。当气体被吸入黑洞时，它会变得非常热并发出光和X射线。这就是你所看到的。

您看不到的东西试图看看我明白了，有史以来第一次“黑洞阴影”成像成功

── 尽管我们知道黑洞似乎存在，但我们无法直接证明它们的存在，但结束这一点的是本间先生和他的团队完成的“黑洞阴影”成像。这张照片捕捉到了一个质量为太阳 65 亿倍的巨大黑洞，位于室女座星团中椭圆星系 M87 的中心，距离地球 5500 万光年。

永田──您为什么决定研究黑洞这种看不见的东西？

本间──我想看看它，因为我看不到它。对天鹅座 X-1 的观测几乎可以肯定存在黑洞，但从未有人见过黑洞。我想我当时很想看看。包括我在内的200多名研究人员持有这个想法，并持续研究了5到10年。虽然已经过去了很长一段时间，但我决心永远不会停止研究。

── 这是本间和他的同事实际拍摄到的黑洞阴影图像（图2）。这张图片如何显示黑洞？

[图2] M87星系中心的巨大黑洞阴影，由事件视界望远镜拍摄
©EHT 协作

本间──首先，请记住黑洞是一个球体。被黑洞强大引力弯曲的光被包裹在它周围。如果你看它的横截面，它看起来就像平面上的甜甜圈一样。例如，如果你把大福切成两半，看横截面，你会看到中间有红豆沙，外皮看起来像一个环。

永田──人们常说我们“对黑洞进行了成像”，但它本身并不完全是黑洞，不是吗？

本间──是的。黑洞也会吸收光，所以你永远看不到它们。该图像中间的黑色部分不是黑洞本身，而是吸收光线产生的阴影。这被称为“黑洞阴影”。黑洞本身是不可见的，并且一定位于这个阴影的更深处。

永田──本世纪的伟大成就是如何取得的？

本间──黑洞是一个非常小的天体，从地球上可见，只有针眼那么小。因此，需要一台高视敏度的望远镜。因此，我们使用了一种称为“VLBI（甚长基线干涉测量）”的技术，其中多个射电望远镜排列在一起，使其看起来就像是一个巨大的射电望远镜。

这一次，“事件视界望远镜（EHT）”拍摄到了黑洞阴影^*1'' 组合了位于世界各地六个地点的总共八台望远镜，直径约为1我们已经实现了射电望远镜，长度为 10,000 公里，大小与地球相同（图 3）。结果，我们达到了人类视力中难以想象的300万视力。

此外，另一大优点是我们使用了能够以毫米波频率进行观测的望远镜，与迄今为止用于观测的厘米波频率无线电波相比，毫米波的优点是对星系的星际等离子体和黑洞周围的气体更具穿透力。使用毫米波开发和观测望远镜很困难，但最近的技术进步和国际合作使之成为可能。

[图3]2017年4月参与事件视界望远镜观测的望远镜排列
©NRAO/AUI/NSF

永田──来自不同国家的研究人员参与其中。日本做出了哪些贡献？

本间──EHT 涉及来自世界各地的 200 多人，其中 14 人来自日本实验室。我负责协调日本队。例如，日本团队的总部位于南美洲智利的 ALMA^*2'' 可与 EHT 的 VLBI 一起使用的技术，分析数据以对黑洞进行成像，并撰写了导致这一发展的论文。特别重要的是，我们创建了自己的数据分析方法，并用它来分析 EHT 捕获的数据并生成图像。

永田──其他国家的研究团队是否也进行数据分析并开发方法？

本间──团队被分成多个组，并使用三种分析方法进行分析。日本开发了三种分析方法中的一种并使用它进行分析。首先，我们对彼此的方法保密，并分别进行分析。因为研究必须没有错误，所以我们独立分析每一个数据，然后进行比较，验证是否真的正确。

永田──在各国分析提交的图像中，日本队的图像尤其漂亮。

本间──我相信这是年轻研究人员和包括我在内的其他领域的研究人员共同开发的分析方法的胜利。幸运的是，我们能够证明这种方法可以产生比迄今为止使用的方法更好的图像。其实美国也提出了自己的分析方法，但毫无疑问是受到了我们方法的影响（笑）。我很高兴能够为该领域的研究进展做出贡献。

参与EHT的日本研究人员
©NAOJ（国家天文台）

永田──顺便说一句，成像的黑洞是非常美丽的红色。

本间──实际上，人类无法看到这些颜色，因为它们是通过无线电波看到的。我们与团队讨论了我们想要什么颜色，并决定这将是最酷的，所以我们选择了这种颜色。

永田──您什么时候意识到这些数据是一个黑洞？

本间──2017年用望远镜观测，2018年6月数据同时移交给各国研究团队并开始分析。从那里开始速度很快，大约 30 分钟内我们就发现有一个黑洞的影子。那时，我已经使用不同的天文物体进行了多次分析练习，因此在需要进行分析时我能够快速做出反应。

永田──你当时的想法是什么？

本间──那是一个拳头泵。 10年的努力终于有了回报。当然，我们庆祝了那天晚上。

永田──这一定是一杯美味的饮料（笑）。

── 而在2019年4月，你自己宣布了这个结果。您期望得到什么样的反应？

本间──实际上，在宣布之前我很紧张。我不知道这张图片能传达多少意义。电影中已经有用 CG 制作的美丽黑洞图像，但我们的图像无论多么真实，都是模糊的图像。我担心会有什么反应。

永田──但很多人都印象深刻。

本间──这个消息的传播得益于媒体，也得益于公众的高度关注、关注和了解。孩子们也非常理解。感谢像永田先生这样的人通过天文馆传播了结果的意义。

通信技术和半导体技术的作用

── 通信和半导体技术对于黑洞的观测和分析也很重要。

永田──结合许多射电望远镜获得的数据量是相当大的。你们是如何沟通的？

本间──数据量如此之大，以至于很难跟上互联网的步伐。此外，有些望远镜被放置在无法访问互联网的位置，因此我们取出整个硬盘驱动器（HDD）并在美国和德国收集它们进行处理。然后，处理后的数据被发送到日本和其他国家进行分析。

永田──如果未来通信技术进一步发展，5G等，进行研究会比现在更容易吗？

本间──是的。如果我们能够专门使用 100 Gbps 左右，我们将能够更有效地进行分析并推进研究。

永田──超级计算机也发挥了重要作用，对吗？

本间──Aterui II，一台致力于天文学的超级计算机，位于水泽校区^*3'' 并利用现有理论，我们模拟了如果我们能够拍摄黑洞阴影就会出现的图像（图 4 和图 5）。

[图4]日本国家天文台天文模拟项目（计算天体物理中心，CfCA）
天文超级计算机“阿特瑞 II”
©NAOJ（国家天文台）

永田──结果是什么？

本间──这与我实际想象的非常相似。这让我确信这个理论是正确的，更具体地说，阿尔伯特·爱因斯坦最初预言黑洞存在的广义相对论是正确的。

永田──半导体对本间教授的研究有多重要？

【图5】阿特瑞II计算刀片
©NAOJ（日本国家天文台）

本间──我们的研究与半导体的发展密切相关。当拍摄小型、黑暗的天体时，需要收集大量数据，因此为了处理这些数据，需要具有高处理速度的半导体。

例如，用于接收无线电波并进行数字处理的称为采样芯片的组件很重要，而计算机集群用于乘以数据，因此CPU的性能和数量很重要。

我们只能在当前的技术水平内工作，但如果半导体技术进步，带宽将会扩大，我们将能够看到更黑暗的东西。我对未来的技术创新抱有很高的期望。

黑洞研究的未来

永田──除了最近公布的位于M87中心的巨型黑洞之外，您还拍摄过其他黑洞吗？

本间──EHT 观测还使用南极的射电望远镜（图 6）。这次我们能够拍摄到的位于M87中心的巨型黑洞，在南极的望远镜上是看不到的，但实际上还有一个黑洞，叫做“人马座A*^*4的天体，它被认为是银河系中心的黑洞。从南极观看时，人马座不会沉入地平线以下，并且始终可见，因此在南极使用射电望远镜观测人马座 A* 非常重要。

我们已经获取了 2017 年 Sagittarius A* 的数据，目前正在对其进行分析，因此我们认为我们将能够在 2020 年发布图像。请期待。

[图6]南极望远镜
©Junham Kim，亚利桑那大学；罗伯特·施瓦茨

永田──您已经决定好下一次观察的主题了吗？

本间──接下来是“视频”。这次拍摄的图像是静态图像，但我想更详细地观察它们，并在视频中捕捉黑洞周围发生的现象的运动。事实上，这并不容易，但如果你增加望远镜的数量，你应该有机会看到它。 2020 年，EHT 将增加三台望远镜，以增加其获取的数据量。我认为我们会在未来五年左右看到一些进展。

以及“大黑洞”和星系之间的关系。

永田──有大黑洞还是小黑洞？

本间──它们的制作方法不同。当一颗比太阳大约 30 倍的恒星燃烧殆尽时，就会形成小黑洞。我们知道它是如何完成的，而且我们知道银河系中有很多这样的东西。另一方面，包括我们自己的星系在内的每个星系的中心都只有一个像我们能够拍摄到的超大质量黑洞，而且它的质量非常大，超过太阳的100万倍，大约是我们这次拍摄的M87的65亿倍。

这些超大质量黑洞肯定在星系的形成过程中发挥了某种作用，但我们不知道它们发挥了什么作用。星系是否是由超大质量黑洞形成的，或者反之亦然，这确实是一个先有鸡还是先有蛋的问题。但毫无疑问，超大质量黑洞在星系中发挥着重要作用。这将是未来十年天文学的一个主要研究课题。

永田──当黑洞吸入物质时，它也会以“射流”的形式向某个方向喷出物质^*5”，也有一种理论认为这就是星系的形成，对吧？

本间──肯定有这样的理论。该理论认为，从黑洞喷出的喷流搅动各种物质，将它们分布到星系的每个角落并形成恒星。另一种理论是，当喷流与气体碰撞时，新恒星就会诞生。这是一个非常有趣的理论，我们可能是由于黑洞而诞生和存在的。这是一种可能性，我们希望在未来的研究中澄清这一点。

永田──您刚才谈到的超大质量黑洞与星系的关系、喷流问题等有什么线索可以解决吗？

本间──我们或许可以通过观察遥远的星系（例如宇宙边缘的星系）并揭示它们内部的情况来找到答案。为此，我们需要一台能见度更高的射电望远镜，其性能令人难以置信，以今天的技术来看这只是一个白日梦。

然而，正如我之前提到的通信和半导体的例子一样，科学技术进步的速度和未来是不可估量的。我相信有一天人类会让这样的望远镜成为现实。

[继续第二部分]

个人资料

本间希（本间马雷基）

日本国家天文台水泽VLBI观测站台长
日本国家天文台教授、高等研究大学教授、东京大学研究生院教授

出生于美国德克萨斯州，在神奈川县长大。 1994年毕业于东京大学理学院天文学系，1999年在同一研究生院完成博士课程。同年成为日本国家天文台COE研究员。
后来历任助理教授和副教授，2015年担任现职。他的专业是射电天文学，主要利用甚长基线射电干涉仪（VLBI）研究星系和黑洞的结构。他的著作包括《巨型黑洞之谜》（讲谈社 Bluebacks）和《国家天文台教授讲述黑洞》（Fusosha）。自2017年起，他还担任NHK广播电台“儿童科学电话咨询”的受访者。

永田美惠（永田美惠）

涩谷宇宙天文馆首席评论员
负责NHK广播电台“暑假儿童科学电话咨询”的天文工作。

目前在东京新闻上经营一个名为“明星故事”的专栏。主要著作有《星座与神话的星空图鉴》（精美堂出版社）、《惊心动魄的星空图鉴》（山与惠国社）、《星星和宇宙的109个谜团》（海成社）、《开始星空观测吧》（NHK出版社）、《空女孩》圣经》（双叶社）。此外，他还负责《星座邮票系列》的星空解说。
还有一颗小行星登记在三重县（11528 Mie）。
我们每天都在继续传播太空和地球的奇迹。

作家

鸟岛慎也（鸟岛慎也）

太空发展评论家。太空作家俱乐部成员。

他对国内外太空发展进行研究，并撰写新闻文章和散文。报纸、电视、广播中也有很多评论。他的主要著作包括《Elon Musk》（合着，由 Yosensha 出版），他还为期刊和其他出版物撰写文章。

网站：http://kosmogradinfo/

推特：@Kosmograd_Info