大數(shù)據(jù)文摘編輯部出品
在碳基生命歷史上，人類剛剛第一次直接“看到”了黑洞。
北京時(shí)間2019年4月10日21點(diǎn)整，在全球六地（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國(guó)上海和臺(tái)北、日本東京和美國(guó)華盛頓）同時(shí)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)上，國(guó)際組織事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）發(fā)布了人類首張黑洞照片。
至此，一直“活在傳說(shuō)中”的黑洞終于露出了真容，也昭示著，人類對(duì)宇宙的認(rèn)知邊界又被向前推進(jìn)了一大步。
再來(lái)靜止、近距離一起看看這張珍貴的照片??
這可能是全世界最難拍的一張照片了。
為了完成這張?zhí)貙懀茖W(xué)家們調(diào)動(dòng)了全球從兩極到赤道共8個(gè)天文臺(tái)的力量進(jìn)行圖片數(shù)據(jù)拍攝，之后，又有來(lái)自全球的62家科研機(jī)構(gòu)共同參與了照片的合成。整個(gè)項(xiàng)目耗時(shí)近三年，可以說(shuō)是傾“全人類之力”完成的一件壯舉。
其實(shí)不止三年，人類追尋黑洞的秘密其實(shí)早已有之。所以聽(tīng)到“第一張黑洞照片”，一定有不少讀者訝異“我好像早就看過(guò)黑洞的照片了。”
的確，在電影和記錄片中，我們似乎經(jīng)常可以看到黑洞的圖片，但這些圖片多是根據(jù)一些數(shù)據(jù)“腦補(bǔ)”出來(lái)的。換句話說(shuō)，是人類想象中黑洞的樣子。而對(duì)于真正的黑洞，人類始終沒(méi)有成功獲取過(guò)它真實(shí)的樣子。
為什么黑洞這么難拍？
為什么給黑洞拍照這么難呢？
我們可以用一個(gè)公式來(lái)解釋——衍射現(xiàn)象公式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們能看到的最小物體是有限的，你想看到的物體越小，所需的望遠(yuǎn)鏡就需要越大。
如果你對(duì)天文稍有了解，就應(yīng)該知道黑洞質(zhì)量非常之大，而且距離地球也非常遙遠(yuǎn)。就拿這次拍攝的黑洞來(lái)說(shuō)吧，第一個(gè)觀測(cè)對(duì)象位于人馬座方位（因此目標(biāo)也被命名為Sgr A*），距離地球2.6萬(wàn)光年，相當(dāng)于24.6億億千米。
另一個(gè)觀測(cè)對(duì)象M87，M87 中心黑洞的質(zhì)量達(dá)到了60億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，盡管與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn)，但因質(zhì)量龐大，所以它的視界面對(duì)我們而言，可能比Sgr A*的小不了太多。但是總的來(lái)說(shuō)，觀測(cè)黑洞的難度，就像讓站在地球上的你尋找月球上的一枚硬幣一樣。
目前，我們?nèi)祟愖顝?qiáng)大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡能夠拍攝到最清晰的月球表面，其畫面為1.3萬(wàn)像素，而每個(gè)像素里能容納150萬(wàn)個(gè)硬幣。
所以拍攝黑洞大小的望遠(yuǎn)鏡，估計(jì)需要地球大小的巨無(wú)霸光學(xué)望遠(yuǎn)鏡才可以實(shí)現(xiàn)。而造這樣一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，在人類目前的技術(shù)水平下，幾乎是不可能的。
望遠(yuǎn)鏡不夠，算法來(lái)湊
在探尋黑洞的路上，有這樣一個(gè)被稱作“視界線望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope）的團(tuán)隊(duì)不肯罷休，并且提出了一個(gè)有點(diǎn)瘋狂的想法：如果把世界上所有的望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，在電腦上模擬一個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡，收集這些數(shù)據(jù)，再通過(guò)合理的算法分析，也許就能描繪黑洞的模樣。
這個(gè)想法相當(dāng)瘋狂，以至于當(dāng)時(shí)不少人認(rèn)為視界線望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope）這一個(gè)項(xiàng)目的成立有點(diǎn)不可理喻，一些天文學(xué)家也對(duì)這個(gè)項(xiàng)目嗤之以鼻。
但EHT還是在一片質(zhì)疑聲中把這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了下去。
在2017年的一次TED X MIT的演講中，項(xiàng)目的主要參與人之一、來(lái)自麻省理工的博士生凱蒂·伯曼向全世界講述了這個(gè)項(xiàng)目是如何進(jìn)行下去的。
點(diǎn)擊查看這場(chǎng)兩年前的TED演講。
可能大家都看過(guò)流浪地球，那遍布地球大大小小的推進(jìn)器成了推進(jìn)地球前進(jìn)的動(dòng)力。
流浪地球影片中令人震撼的推進(jìn)器
而想要成功拍攝黑洞，人類大概需要用同樣密集分布的望遠(yuǎn)鏡把地球裝扮成這樣??
但實(shí)際上我們根本不可能獲取到如此多高質(zhì)量觀測(cè)點(diǎn)，只能在地球上找?guī)讉€(gè)點(diǎn)，布置上望遠(yuǎn)鏡??
左邊這黑球上的幾個(gè)亮點(diǎn)就是我們現(xiàn)在布局在地球上的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡。通過(guò)他們收集到的圖像可以平鋪結(jié)合成右邊的圖。
雖然只有這可憐的幾處，但隨著地球的自轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡的位置改變， 我們就可以得到圖片的各個(gè)部分。但所得到的樣本仍然不足，需要通過(guò)開(kāi)發(fā)生成圖片的算法將空白的地方填滿， 從而模擬出隱藏的黑洞圖片。
5天拍照，兩年P(guān)圖
要保證所有8個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率，符合的時(shí)間段每年只有10天。具體對(duì)于2017年來(lái)說(shuō)，是在4月5日—14日之間；而此次觀測(cè)是4月5日—10日之間的5個(gè)晚上。在每一個(gè)觀測(cè)中心，科學(xué)家們將利用提前校對(duì)好的原子鐘時(shí)間，對(duì)每一個(gè)電磁波到達(dá)的時(shí)間進(jìn)行分別標(biāo)定和存盤，等到觀測(cè)結(jié)束之后再匯總比較。
因此，在拍攝黑洞過(guò)程中一項(xiàng)重要的任務(wù)就是：開(kāi)發(fā)一種既可以找到合理圖像，又能使圖像符合望遠(yuǎn)鏡所測(cè)量到的信息的算法。
那么難點(diǎn)來(lái)了，按照什么樣算法得出的圖像才最合理呢？
從拍攝完成，到最終的發(fā)布，科學(xué)家們用漫長(zhǎng)的兩年才找到這一最合理的算法，并最終完整所有圖片數(shù)據(jù)的分析、整合。
判斷一張照片是否屬于某個(gè)群組不是件難事，但問(wèn)題是，如果判斷的主角是黑洞，這個(gè)只存在于人類想象中的概念，算法如何判斷哪張圖更像黑洞呢？
當(dāng)然，根據(jù)過(guò)往研究和相關(guān)公式，我們通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得出過(guò)很多黑洞的”腦補(bǔ)圖“，例如《星際穿越》中那張令人印象深刻的黑洞照片。但是，每一位謹(jǐn)慎的科學(xué)家們都必須考慮，如果我們?cè)谒惴ㄖ袚饺胩嘞闰?yàn)知識(shí)，算法就有了偏見(jiàn)，那么結(jié)果就會(huì)和我們預(yù)期的相似。
萬(wàn)一愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是錯(cuò)了呢？
也就是說(shuō)，我們不能遺漏“宇宙中心不是一個(gè)‘洞’，而是一頭大象的可能”。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果給不同國(guó)家的畫師一個(gè)高鼻梁、白頭發(fā)老爺爺?shù)男畔ⅲ麄內(nèi)绻軌驋伒粑幕尘埃嫵霾畈欢嗟膼?ài)因斯坦畫像，才能說(shuō)這個(gè)算法是可靠的！
通過(guò)提取現(xiàn)有圖片的碎片特征，科學(xué)家可以將不同圖片的特征賦予算法。EHT的研究人員也正是用這種方式，將大量圖像分解成無(wú)數(shù)的小拼圖碎片，用其中常見(jiàn)的拼圖碎片來(lái)組合成一張符合望遠(yuǎn)鏡所測(cè)量數(shù)據(jù)的完整圖片，這時(shí)候，我們對(duì)黑洞的描繪也就更接近真實(shí)了！
人類對(duì)宇宙的認(rèn)知?dú)v史正在被AI改寫
因?yàn)槊刻斓臄?shù)據(jù)量都高達(dá)PB(1PB=1024TB=1000000 +GB)量級(jí)，除了從各地運(yùn)輸匯總數(shù)據(jù)以外，最終的分析和計(jì)算，也耗費(fèi)了大量的時(shí)間。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，在數(shù)據(jù)的處理中，也用到了主成分分析等相關(guān)技術(shù)。
當(dāng)數(shù)據(jù)形成海洋的時(shí)候，人工處理只能是大海撈針，但交給AI，也許就是小菜一碟。無(wú)論是德克薩斯大學(xué)的學(xué)生Anne Dattilo用AI算法發(fā)現(xiàn)系外行星，還是斯坦福大學(xué)研究小組利用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)研究強(qiáng)引力透鏡的圖像，這都意味著處理大數(shù)據(jù)的AI技術(shù)正在變革天文領(lǐng)域，甚至整個(gè)人類的認(rèn)知邊際。
文摘菌相信，如果沒(méi)有機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這人類史上第一張照片可能要推遲個(gè)幾十年面世了。
本次參與對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析合成的機(jī)構(gòu)超過(guò)60個(gè)，其中來(lái)自中國(guó)的8個(gè)機(jī)構(gòu)參與其中：中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)研究中心、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院星系宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)。
圖片來(lái)自nature.com
為什么要給黑洞拍照？
拋開(kāi)國(guó)籍的枷鎖，把問(wèn)題上升到宇宙，其實(shí)這件事情的意義就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其本身，正如美國(guó)太空人阿姆斯特朗登陸月球后的第一句話：我的一小步，是人類的一大步。這次對(duì)拍攝黑洞的跨國(guó)行動(dòng)，也邁出了人類太空探索的一大步。
另一方面，從觀測(cè)角度來(lái)看，這是基線最長(zhǎng)、規(guī)模最大的一次關(guān)于黑洞的射電成像；從科學(xué)的角度，這也是第一次高分辨率的觀測(cè)黑洞邊界，也是一次激動(dòng)人心的觀測(cè)驗(yàn)證理論的大事件，重要性不亞于引力波被發(fā)現(xiàn)。
更進(jìn)一步來(lái)看，除了黑洞照片本身，這種新的觀測(cè)宇宙的方式似乎更為重要，地球上的射電陣列可以拍到銀河中心，那么如果我們把望遠(yuǎn)鏡放到更遠(yuǎn)的地方，太空軌道上，是否有機(jī)會(huì)觀測(cè)到更遠(yuǎn)的深空。
此外，這套專門設(shè)計(jì)的圖像處理算法本身也是有很大價(jià)值。被驗(yàn)證后，這套算法很快可以投入到太空探索領(lǐng)域，甚至可以在其他領(lǐng)域大展神威，畢竟這套算法的本質(zhì)是把低分辨率的圖像轉(zhuǎn)換成更高的分辨率。而且這次觀測(cè)的數(shù)據(jù)也非常重要，畢竟，事件視界望遠(yuǎn)鏡每一個(gè)晚上所產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可達(dá)2PB(1PB=1024TB=1000000+ GB)，有了這些數(shù)據(jù)天文學(xué)家可以分析出來(lái)黑洞的周圍有什么，這些東西以什么樣的狀態(tài)存在......
總的來(lái)說(shuō)，這次觀測(cè)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，是實(shí)踐行為，這也正是科學(xué)中最嚴(yán)肅的要素。天文學(xué)家們通過(guò)這次觀測(cè)結(jié)果，或許能借此檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的引力理論，并對(duì)廣義相對(duì)論做出嚴(yán)格的限制。與此同時(shí)，黑洞圖像將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。
從18世紀(jì)末約翰·米歇爾提出“暗星”概念，到法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在著作《世界系統(tǒng)》中提出的光都無(wú)法逃逸的天體，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的推理結(jié)果，再到美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·奧本海默發(fā)表了第一篇關(guān)于黑洞的學(xué)術(shù)論文。人類對(duì)這一“看不見(jiàn)”的物體一直充滿了好奇，探索之路已經(jīng)跨越了國(guó)別，不分種族。
就像《三體》里說(shuō)的，“我們都是陰溝里的蟲(chóng)子，但總還是得有人仰望星空。”也正因人類仰望星空的努力從未停止，今天的我們，才能夠站在無(wú)數(shù)巨人的肩膀上，看到了當(dāng)初他們奮力想看卻無(wú)法企及的景象，作為銀河系渺小的碳基生物，這是何其幸運(yùn)又美妙的事情。
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