2019年4月10日21點(diǎn)整，天文學(xué)家召開(kāi)全球新聞發(fā)布會(huì)，全球200多位科學(xué)家們用八個(gè)望遠(yuǎn)鏡（陣）合力拍攝、并“沖洗”了兩年的神秘照片與公眾見(jiàn)面——人類首次直接拍攝到黑洞照片。
這顆黑洞位于代號(hào)為M87的星系當(dāng)中，距離地球5300萬(wàn)光年之遙，質(zhì)量相當(dāng)于60億顆太陽(yáng)。照片中它的核心區(qū)域存在一個(gè)陰影，周圍環(huán)繞一個(gè)新月?tīng)罟猸h(huán)。
什么是黑洞
科普一下，黑洞不是洞，是天體。作為最神秘的預(yù)言宇宙天體之一，黑洞質(zhì)量極大，密度極高，周圍會(huì)產(chǎn)生巨大的引力場(chǎng)，它附近所有物質(zhì)都難逃一吸，連宇宙中傳播速度最快的光，也無(wú)法逃出黑洞。
而黑洞周圍引力巨大的區(qū)域，就被稱為「事件視界」，只要跨過(guò)這個(gè)邊界，一切物理定律在此都會(huì)失效。
1915 年，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中最先預(yù)言了「黑洞」，1968 年，美國(guó)天文學(xué)家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名詞，雖然之后也出現(xiàn)過(guò)一些黑洞的間接影像可以證明它身處星河之中，但沒(méi)人見(jiàn)過(guò)黑洞的真正樣貌。
而就在昨天，我們成為了歷史上第一波見(jiàn)證黑洞的人。
黑洞照片怎么拍出來(lái)的
從洪荒時(shí)代起，人類就從未停止過(guò)對(duì)頭頂神秘星空的眺望。
為了捕獲第一張黑洞圖像，過(guò)去的十年多時(shí)間里，麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家們聯(lián)合了其他機(jī)構(gòu)的同行們，讓全球8個(gè)天文臺(tái)同時(shí)對(duì)銀河系中心的黑洞Sgr A* 和 M87星系中的黑洞 M87*展開(kāi)亞毫米波段觀測(cè)，這些望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡” (Event Horizon Telescope，EHT)。
由于EHT此次觀測(cè)的波段在1.3毫米，容易受地球大氣的水汽影響，因此這些亞毫米波望遠(yuǎn)鏡分布在高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達(dá)山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點(diǎn)。
參與此次觀測(cè)的包括位于世界6個(gè)地點(diǎn)的8個(gè)臺(tái)站。其中由于位置的限制，位于南極的SPT望遠(yuǎn)鏡無(wú)法觀測(cè)到M87*。所以參與觀測(cè)M87*的望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上是7臺(tái)。
給黑洞拍寫真的7位“攝影師”（南極望遠(yuǎn)鏡無(wú)法測(cè)到M87*）
這里用到的觀測(cè)技術(shù)，就是「甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量」（VLBI）。通過(guò)這種技術(shù)，能將多個(gè)望遠(yuǎn)鏡結(jié)合成一臺(tái)孔徑更大的望遠(yuǎn)鏡，讓距離不再成為限制。兩個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，就能共同觀測(cè)遙遠(yuǎn)的類星體以及河外星系。
因?yàn)楹诙幢旧硎强床灰?jiàn)的，這里的拍出的圖像，其實(shí)是因?yàn)楹诙丛凇赋缘簟股磉吅阈菚r(shí)，氣體撕扯會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的吸積盤，加上部分吸積氣體也會(huì)沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向被拋出去形成噴流，這些氣體摩擦都產(chǎn)生了明亮的光線，再加上其他頻段的輻射，因此能捕捉到這些黑洞的發(fā)光現(xiàn)象。
當(dāng) 8 個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合啟動(dòng)，VLBI 網(wǎng)將各射電望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)記錄在磁盤上，然后通過(guò)數(shù)據(jù)中心處理和分析，就能獲得觀測(cè)目標(biāo)的射電精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像，最高分辨率可為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)百倍。
Katie Bouman成為此次黑洞照片的關(guān)鍵
這不是咔嚓一下就能完成的攝影過(guò)程。上面提到，通過(guò) VLBI，要將事件視界望遠(yuǎn)鏡的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)集合、整理。但黑洞拍照產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量太大，每天獲得的數(shù)據(jù)相當(dāng)于歐洲核子研究中心一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。
而如何有效地處理這些數(shù)據(jù)，成為了頭大難的事情！
據(jù)美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)報(bào)道，凱蒂·博曼（Katie Bouman）開(kāi)發(fā)了一種關(guān)鍵算法，該算法在三年前幫助設(shè)計(jì)了成像方法。將這一新算法稱作 CHIRP，也就是「使用圖像塊優(yōu)先的連續(xù)高分辨率圖像還原」（Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors）的縮寫。
該算法導(dǎo)致了M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞圖像。據(jù)美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)報(bào)道，博曼與200多名科學(xué)家合作，花了三年的時(shí)間指導(dǎo)圖像的驗(yàn)證和圖像參數(shù)的選擇，因?yàn)樗麄儚囊幌盗型h(yuǎn)鏡中獲取了“稀疏和嘈雜的數(shù)據(jù)”來(lái)制作圖像。
凱蒂·博曼（Katie Bouman）是誰(shuí)？
美國(guó)總統(tǒng)特朗普女兒伊萬(wàn)卡專門為她轉(zhuǎn)推，向幕后英雄，MIT的計(jì)算機(jī)科學(xué)家博曼致敬。那博曼到底是誰(shuí)？
博曼，出生于1989年5月9日，是西印度群島印第安納州土著人。
博曼的大學(xué)教育始于密歇根大學(xué)，2011年獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。之后2013年獲得麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位。拿到碩士學(xué)位以后，她繼續(xù)留在麻省理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位，并于2017年獲得博士學(xué)位。
而作為科研世家，他的父親是普渡大學(xué)的工程學(xué)教授。
他父親說(shuō)：“她在高中的課堂上總是有條不紊的，實(shí)驗(yàn)室筆記做得非常詳細(xì)，以致于我都迫不及待地想要展示給我的學(xué)生看”。
博曼優(yōu)秀的學(xué)習(xí)習(xí)慣使她不斷的進(jìn)步與成長(zhǎng)。
2016年11月，她做過(guò)一個(gè)TED演講《怎樣拍攝一張黑洞的照片》，簡(jiǎn)單明了地講解了黑洞的照片是如何產(chǎn)生的，而在那時(shí)，她僅僅是麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究生：
博曼構(gòu)建了一個(gè)龐大的人造天文圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，其包含這些圖片在不同望遠(yuǎn)鏡中可能生成的測(cè)量結(jié)果，并考慮了大氣層噪音的隨機(jī)變化、望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部的熱力學(xué)噪音、以及其它噪音的影響。因此，她的算法比之前用于從測(cè)量數(shù)據(jù)中還原圖像的算法要更加準(zhǔn)確，并能更好地處理噪音的問(wèn)題。她還將她使用的測(cè)試數(shù)據(jù)公開(kāi)，使得其他研究人員也能使用。
因她提出的算法，讓各大望遠(yuǎn)鏡收集到的數(shù)據(jù)可以“拼”到一起，這才有了彌足珍貴的黑洞照片。歷時(shí)約兩年的“洗”照片，終于告一段落。而今年，作為博士生的她僅僅29歲。作為幕后英雄，可謂是年輕有為。
不僅僅是照片，探索未止
雖然照片看起來(lái)依然是一片迷幻的“混沌”，但這次歷史性的探究，也是人類史上一塊耀眼的豐碑。這次的重大發(fā)現(xiàn)，不僅讓我們能接觸到黑洞的真實(shí)面貌，更重要的是，幫我們驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論和黑洞的物理性質(zhì)，包括黑洞真實(shí)質(zhì)量、直徑、自轉(zhuǎn)速度......
在未來(lái)，黑洞是否會(huì)如霍金所言“蒸發(fā)”，我們不得而知。但，探索不會(huì)放棄，你我都在路上。向博曼學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)其探索精神、創(chuàng)新精神以及鉆研精神，從已知到未知，探索永不止步。
