大科学艺术: OPENVERSE黑洞自旋模型登上《自然》杂志

10月20日中午12时，10,000份M87星系黑洞喷流进动3D艺术模型]数字藏品在发布当时1秒内售罄，这份独特的数字艺术藏品的母本源自杭州之江实验室学者崔玉竹博士于9月27日发表在《自然》(Nature)期刊上的重磅发现:位于M87星系中心的黑洞吸积盘和喷流表现出进动，这符合爱因斯坦广义相对论中关于“坐标系拖曳效应”的预测，进而为M8黑洞本身的确存在自旋提供了有力的观测证据，完成了黑洞在验证广义相对论正确性方面从理论推断到观测证实的闭环，这也是继2019年首张黑洞照片面世之后，人类的黑洞观测成果迈出的又一重要一步。

一直以来，人类对活跃在星系中心的超大质量黑洞充满了好奇，不仅由于它身负的巨大威力，能“无限地吞噬”周边的一切，并且以光速把物质“吐”出数千光年以外；还因为它在物理学领域的地位无可比拟，“黑洞是验证广义相对论理论正确性最理想，也是最简单的一个天体，因为它的引力足够强，能够极致地放大广义相对论中的拖曳效应，所以它在理论物理中居于非常重要的地位。”崔玉竹解释道，而无论是正在进行的基础科学研究，还是现实生活中已经普及的技术，基本都是建立在广义相对论正确的基础上，这也是在这个理论问世的百年间，科学界坚持不懈地钻研黑洞问题的根本原因所在。

也许始于童年仰望星空时产生的好奇，自从2017年博士入学之后，崔玉竹的研究方向就牢牢锚定了M87黑洞，在同年，她参与了倾全球之力的事件视界望远镜项目（EHT），在其中参与了数据处理和成图部分。另外，她还负责处理分析由中国、韩国、日本望远镜组成的东亚VLBI网（EAVN）的数据，为EHT提供同步观测中低波段辅助信息。“在这项研究中，EHT的角色是利用超高角分辨率尽可能近的看到黑洞周围，也就是那张被大家叫做‘甜甜圈’的照片，就好像能够看到我们手机屏幕上APP的logo，它究竟是个什么形状。”崔玉竹给出了一个浅显易懂的比喻，“而EAVN的目标则是在于看到整个手机屏幕的界面，也就是黑洞所在的宏观尺度的时空环境，配合事件望远镜的观测我们就能得到微小尺度和稍大尺度的信息，也就是包括黑洞尺度和喷流结构的观测。”她说道。

↑“M87黑洞被证实存在自旋”论文的第一作者“90后”青年女科学家，杭州之江实验室博士后崔玉竹

在崔玉竹浏览观测数据的过程中，她敏锐地发现，在2017年时，M87黑洞的喷流指向与以往熟知的角度存在大概5°的细微偏移，为了确认这种偏离是否存在某种规律，崔玉竹在详细分析了2000年到2022年170次观测数据，并结合合作者的超级计算机模拟结果的比对，她发现：M87黑洞喷流呈现周期性摆动，摆动周期约为11年，摆动的张角约为10°。她信手拿起笔，在身旁的黑板上画出了简单的演示图：黑洞的吸积盘和喷流互相垂直，如果将其看作一个不在高速旋转的“大陀螺”，吸积盘就像陀螺体，而长达5000光年的喷流是其旋转轴，与陀螺不同的是，陀螺在非高速旋转时运动的支点在其下方，而吸积盘的运动中心是黑洞，在黑洞自旋的拖曳作用下，在进入一定稳定期后，吸积盘旋转面进动始终保持在一定阈值内，表现为周期性往复。

如何将这个突破性的成果表达出来是接下来的重要任务，“在文章被接收之后，需要用一个直观简洁的图片去表达我们文章中描述的进动模型。首先它一定要坚持严谨的科学性，几何结构要符合进动模型。又因为要作为发布会和新闻通稿的封面图展示，所以它同时需要有一定的视觉冲击力。”崔玉竹说道，但视觉化过程并不顺利，“我当时已经在自学3D软件，打算自己把这张封面做出来了。”她笑着说道。在这时，崔玉竹在机缘巧合下接触到了Openverse团队，后者由资深IP律师徐文与数字设计师Budda联合创立于杭州，并在创立伊始就定下了“通过智能设计能力让科技变得流行，实现科学成果在大众面更好传播”的目标。“在初期调研时，我们就注意到很多科学家对于将科研成果可视化这件事很苦恼，苦论文配图久矣，更遑论传播或者科普了，所以就萌生了一个‘让天下没有挠头做图的科学家’的idea。”Openverse联合创始人Budda说道，而正是这个做科学家的“灵魂画手”的想法，恰好解决了崔玉竹面临的燃眉之急。

在崔玉竹浏览观测数据的过程中，她敏锐地发现，在 2017 年时，M87 黑洞的喷流指向与以往熟知的角度存在大概 5° 的细微偏移，为了确认这种偏离是否存在某种规律，崔玉竹在详细分析了 2000 年到 2022 年 170 次观测数据，并结合合作者的超级计算机模拟结果的比对，她发现：M87 黑洞喷流呈现周期性摆动，摆动周期约为 11 年，摆动的张角约为 10°。她信手拿起笔，在身旁的黑板上画出了简单的演示图：黑洞的吸积盘和喷流互相垂直，如果将其看作一个不在高速旋转的“大陀螺”，吸积盘就像陀螺体，而长达 5000 光年的喷流是其旋转轴，与陀螺不同的是，陀螺在非高速旋转时运动的支点在其下方，而吸积盘的运动中心是黑洞，在黑洞自旋的拖曳作用下，在进入一定稳定期后，吸积盘旋转面进动始终保持在一定阈值内，表现为周期性往复。

如何将这个突破性的成果表达出来是接下来的重要任务，“在文章被接收之后，需要用一个直观简洁的图片去表达我们文章中描述的进动模型。首先它一定要坚持严谨的科学性，几何结构要符合进动模型。又因为要作为发布会和新闻通稿的封面图展示，所以它同时需要有一定的视觉冲击力。”崔玉竹说道，但视觉化过程并不顺利，“我当时已经在自学 3D 软件，打算自己把这张封面做出来了。”她笑着说道。在这时，崔玉竹在机缘巧合下接触到了Openverse团队，后者由资深 IP 律师徐文与数字设计师Budda联合创立于杭州，并在创立伊始就定下了“通过智能设计能力让科技变得流行，实现科学成果在大众面更好传播”的目标。“在初期调研时，我们就注意到很多科学家对于将科研成果可视化这件事很苦恼，苦论文配图久矣，更遑论传播或者科普了，所以就萌生了一个 ‘让天下没有挠头做图的科学家’的 idea。”Openverse联合创始人Budda说道，而正是这个做科学家的“灵魂画手”的想法，恰好解决了崔玉竹面临的燃眉之急。

↑崔玉竹博士在之江实验室的白板上借手绘解释“黑洞自旋现象

↑Openverse联合创始人，数字设计师Budda

在得到崔玉竹手绘的一张简单示意图与细致的文字描述后，Openverse团队运用 AI 赋能的专利技术快速完成了从草图到平面 2D 图再到 3D 立体图的渲染，整个过程中最大的难点还是在于在知识背景相差很大的情况下，设计师与科学家想法的对齐。“科学家对于模型表现的精准度要求很高，包括具体要选取哪几个角度呈现吸积盘的进动，它摆动的幅度是多大的，这些都要能够与观测数据对应。”Budda说道，“在图片上，吸积盘左侧颜色是偏蓝的，右侧是偏红的，也是一个符合多普勒效应的效果。”当大多数人看到这张倾斜吸积盘模型示意图时，先会被其超强的视觉冲击力所吸引——比起一张科普图片，它更像一件平面艺术作品。这正是Openverse作为“灵魂画手”大显身手的地方，“所以我们在艺术表达的方面下了很大一番功夫，这也是与以往科学期刊上的插图最大的不同，比如借助 AI 和数字设计技术去模拟光的漫反射在以及光在不同角度的变化，达到对视觉刺激最理想的状态。”Budda说道。

当这张图像随着黑洞 M87 自旋发现面世之后，就收获了来自全球全网的热切关注，如何将公众的兴趣转化为收益，更好的反哺给研究者？IP 化是Openverse给出的全新思路，随着国内知识产权体系的完善，IP的力量在国内各行各业中逐渐显现。“我们在做的事儿并不是简单地通过技术去做所谓的“科研成果的转化”或者“科学艺术跨界合作”，而是借助 IP 的力量去开启一轮永续的价值循环，将这些真正拓宽人类文明的发现转化为市面上稀缺的优质内容，是我们称之为「Smart IP Maker」的事业。”Budda说道，在他看来，科学发现本身就具有极大的 IP 潜力，正如著名天文学家 Carl Sagan 推出了 Cosmos 这样享誉世界的科普作品，不仅历久弥新，并且具有极高的商业价值。

↑倾斜黑洞吸积盘模型示意图，由Openverse旗下intouchable® 制作

在这张吸积盘进动模型图片诞生之后，付出了智力贡献的崔玉竹博士能够在学术和科普领域中永久免费地使用它，Openverse则聚焦黑洞 IP 的开发、管理与商业经营，“比如这次我们把这个模型去做成数字艺术藏品发售，有部分营收会再捐赠给包括之江实验室在内的科研机构，支持他们去做更多的研究。”Budda说。“这个机制发挥着类似于 15 世纪欧洲兴起的捐赠人或者赞助者的作用。”Budda补充道，在当时，正是因为有他们出资赞助并发掘着有潜力的艺术家与研究者，文艺复兴才能涌现出大量人文与科技进步成果。“Openverse的角色就是尽可能地提高系统的效率，让大众能够更好地触达前沿科技，让科学家能够心无旁骛地持续地做好科研。”Budda说道，当各方在这个机制中都能受益，一个可持续的商业范式也就应运而生了。也就在采访进行时，Openverse在鲸探平台发售的 10,000 份「M87 星系黑洞喷流进动 3D 艺术模型」数字藏品在发布当时 1 秒内售罄，标志着一种全新的科学与艺术联动范式收获了广泛的公众认可。“这次试水的结果也是让我们更有信心了，证明这个闭环是真正能够跑起来的。”Budda笑着说道，“也让我们意识到，其实大家对于科学的探索欲与好奇心其实远超我们之前的想象。”

↑发布在鲸探平台的数字藏品 M87 黑洞喷流进动艺术模型

M87 黑洞自旋并不是Openverse与科学界的首次碰撞，早在成立之初，他们就在一个有趣的项目上接触了“学科假期 Sabbatical”的概念，“那是一个旨在打造一个特别适合科学家长期驻地，在此开会、生活并进行跨学科跨领域碰撞的一个新型科研小镇生态的项目，我们在其中负责担任 IP 概念设计和面向科学家以及科学爱好者群体的策展工作。”Budda说道，借着这个契机，他们发现国内在 Sci-Art 领域还存在相当大的一块空白，而Openverse恰恰掌握丰富的 IP 内容孵化与运营的经验与审美认知，他们很快建立起一套 AI + 科学家 +设计师的新高效工作流，针对性地解决科学工作者所面临的表达的共性难题，并深入对接了天文物理、基因工程等多个学科领域，也很快拥有了在《自然》（Nature），《科学》（science）等学界权威期刊以及诸多重要的科学国际会议上的实现案例，同样与之江实验室合作的 DDE（深时数字地球）IP 也进入到了概念落地阶段。

当我们问及Openverse是如何萌生了“Make Science Popular” Slogan的想法，Budda给出了一个意料之外的答案：“其实是受到了欧洲文艺复兴运动的启发。”Openverse团队回溯那一段人类文明群星璀璨的历史，发现在当时艺术与科学并不像如今一样泾渭分明，而是融合交织在一起。这启发他们提出了“大科学艺术”概念：在传播侧用 IP 化更多元地解释人类文明的成果，而不是简单去定义它究竟属于科学还是艺术的范畴。“最终的目的还是让科学成果不再局限于庙堂之高，提升这个领域的能见度和讨论度，在社会面营造出科学讨论的良好氛围。”Budda说道。这也是适逢其时的选择，中国科技在蓄力数十年之久后，正在经历成果的爆发期，科创产业更是日新月异，“重大科学突破随时会在你我身边发生，包括最近在开的一带一路峰会，中国原创科技的出海是势不可挡的。”Budda说道，“所以我们经常开玩笑地和科学家们说：‘你们省下画图的时间，就可能早点拿到诺贝尔奖。’而Openverse则是希望成为出现在最多诺奖得主背后的名字。”

而对于崔玉竹来说，黑洞存在自旋的发现意味着人类对于黑洞的认知更进了一步。“科学就是这样，是一个不断证伪的过程，不断地增加更多的细节去接近事实，但是现在这个模型究竟是不是黑洞的真实面貌，需要后面持续的观测来证实。”值得期待的是，我们已经进入了黑洞观测的黄金时代，中国也在其中贡献着不可或缺的力量，聊到这里，崔玉竹的眼睛闪过一丝兴奋的光亮，“首先是 EHT 项目通过联合全世界的望远镜组成的观测阵达到了很高的分辨率，也就是在技术上已经可以观测很接近黑洞的周围环境，给黑洞拍照片了。”她说道，“不过正如我前面所说的的，获得黑洞的全局信息更深入的研究黑洞的性质需要大尺度到小尺度的观测数据相结合，EHT 实现了 230G 赫兹的高频率波段观测，我们这次研究用到的波段是在 22~43G 赫兹区间内，接下来需要更多的在 230G 和 43G 赫兹之间的观测信息。现在国内正在建设一些望远镜，可以联合国外的望远镜去填补这个空白，在我们发布会上，上海天文台沈志强台长提到的日喀则正在建设的 40 米口径射电望远镜正是其中之一，其所在的青藏高原是全球范围内最适合开展（亚）毫米波观测的优良站址区之一，我们希望藉此推动中国亚毫米波天文观测的发展。”

而在此前，“中国天眼” FAST 首席科学家、之江实验室天文计算首席科学家李菂曾表示：“随着越来越多射电望远镜的建成，将带来观测数据的爆炸式增长，天文物理研究将越来越需要智能计算的支撑，相信计算科学和射电天文的深度融合将有力推动黑洞等宇宙神秘现象的本质揭示。”目前，中国在这一交叉学科领域已经处于世界领先地位，包括之江实验室在内的科研机构正在将人工智能、云计算等技术引入天文研究，提高数据处理效率、拓展物理参数探索空间。在崔玉竹的研究中，也运用到了超级计算技术去做大量模拟数据的处理，“正是因为超级计算大大缩短了数据处理的过程，我们研究人员才能有更多的时间去做更多理论模型的对比跟优化，也就是抽丝剥茧的那一步，把最本质的东西揭示出来。”崔玉竹分享道。

最后，当我们问崔玉竹：黑洞的研究对于普通人来说有何意义？她笑着说道：“今天人们会问研究黑洞的意义，50 多年前人们会问探索火星的意义，60 多年前人们会问探月的意义，480 多年前人们会问‘日心说’的意义，1800 多年前人们会问‘地心说’的意义，就像几十万年前人们会问‘火’的意义…… 基础科学的成果往往都不是一蹴而就的，所以如果大家用太过实用主义的眼光去看待它，很难在短时间内得到期待的答案。但也正是科研的进步，一次次在潜移默化中改变着我们看待周围世界的方式，夯实了人类思维和科技进步的台阶，我们的世界观乃至宇宙观才一步步建立起来。”崔玉竹倾向于把科学视作一种精神食粮：“它和我们身体的基本需求同样重要，现在我们常说，既要有身体健康也要有精神健康，身体受伤了能够被治疗，但是如果没有坚定精神支柱或者不具备开阔的眼界的话，很容易被眼前的困难打倒，也难以拥有积极的生活态度，所以不论是黑洞的探索，还是其他领域的研究，每一次人类思维的进步，都是在提升整个人类文明的精神世界。”

仰观宇宙之大，哪怕是神秘的黑洞也从来不是人类探索的边界，而艺术与科学的融合，将把一次次人类认知边界的拓展，一步步带入每一个普通人的生活。