給黑洞拍照

蘇一橫

2016年，麻省理工學(xué)院一位年輕的女博士登上了著名的科技講壇——TED的演講臺(tái)，她演講的題目是“怎樣拍攝一張黑洞的照片”。3年后，全世界數(shù)十個(gè)科研機(jī)構(gòu)的200多名科學(xué)家共同努力，終于拍攝出人類第一張黑洞照片，當(dāng)年的這位女博士作為龐大科研團(tuán)隊(duì)中的一員，在“沖洗”黑洞照片的過(guò)程中又發(fā)揮了極其重要的作用。2019年4月10日，隨著黑洞照片的正式發(fā)布，這位女博士在“臉書(shū)”上的照片刷爆了社交網(wǎng)絡(luò)，“走紅”全世界。這位被媒體譽(yù)為“黑洞背后的天才少女”的人，就是凱蒂·布曼。

事件視界

1915年，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中最先預(yù)言了黑洞的存在。在愛(ài)因斯坦的理論中，黑洞是一種質(zhì)量巨大、引力極強(qiáng)的天體，可以吸收周圍一切的外來(lái)物質(zhì)，就連人類已知傳播速度最快的光都無(wú)法逃脫黑洞的吞噬。理論上，黑洞無(wú)法被觀察到，更別提給它拍攝照片了。然而，科學(xué)家認(rèn)為，黑洞的陰影——“事件視界”卻是可以被觀察到的。

根據(jù)天文學(xué)的理論，既然黑洞將附近的物質(zhì)和光吸向自己，那么黑洞周圍就會(huì)存在一個(gè)“邊界”——進(jìn)入這個(gè)“邊界”的物質(zhì)和光無(wú)法逃逸出來(lái)，而這個(gè)“邊界”就被稱為“事件視界”。在“事件視界”之外，宇宙中周圍彌散的物質(zhì)也會(huì)被黑洞強(qiáng)大的引力所拉拽，形成一個(gè)熾熱的氣體吸積盤(pán)。這個(gè)氣體吸積盤(pán)時(shí)不時(shí)地發(fā)出不同頻率的光輻射，可以被天文望遠(yuǎn)鏡觀察到。于是，黑洞在明亮的氣體吸積盤(pán)的襯托下留下了一個(gè)“暗影”，而“暗影”與氣體吸積盤(pán)之間的時(shí)空區(qū)域就是“事件視界”。

科學(xué)家通過(guò)觀察“事件視界”，就可以間接地描繪出黑洞的輪廓。所以，科學(xué)家觀察黑洞，其實(shí)是觀察“事件視界”的結(jié)構(gòu)。

拍攝黑洞

M87星系（又稱室女座A星系）這次觀察到的黑洞是位于M87星系中心的巨大黑洞，距離地球5500萬(wàn)光年，體積是太陽(yáng)的680萬(wàn)倍，質(zhì)量約為太陽(yáng)的64億倍。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)。

雖然體積如此巨大，M87黑洞仍然很難觀察。從地球上看，M87黑洞大概與月球上的一個(gè)橘子一樣大，由于衍射現(xiàn)象，我們能看到的最小物體是有限制的，想看到的東西越小，需要的望遠(yuǎn)鏡就越大，如果想看到M87黑洞，我們需要的望遠(yuǎn)鏡要和地球一樣大。

當(dāng)然，建造一個(gè)和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡是不可能的，但通過(guò)一種叫做“甚長(zhǎng)基線干涉”的技術(shù)，科學(xué)家可以構(gòu)建一個(gè)很大的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡。

“甚長(zhǎng)基線干涉”是一種射電天文學(xué)測(cè)量方法，它允許用多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)一個(gè)天體，從而模擬一個(gè)大小相當(dāng)于射電望遠(yuǎn)鏡間最大間隔距離的巨型望遠(yuǎn)鏡。如果想模擬出一個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家需要使用“甚長(zhǎng)基線干涉”技術(shù)，將位于美國(guó)、墨西哥、智利、法國(guó)、格陵蘭島和南極洲的8處獨(dú)立的大型射電望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，讓它們像一臺(tái)儀器一樣協(xié)同工作。這8個(gè)望遠(yuǎn)鏡從南到北橫跨7000千米左右，兩者之間最遠(yuǎn)距離超過(guò)1萬(wàn)千米，組合到一起就成了一個(gè)“地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡”。通過(guò)這個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡拍攝黑洞，這就是凱蒂等科學(xué)家所參與的“事件視界”望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。

在麻省理工學(xué)院求學(xué)期間，凱蒂加入了海斯塔克天文臺(tái)。這座天文臺(tái)有美國(guó)最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)世界各地天文臺(tái)發(fā)送來(lái)的黑洞數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理，是“事件視界”望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理中心——?jiǎng)P蒂“沖洗”黑洞照片所做的工作大部分是在這里完成的。從麻省理工學(xué)院畢業(yè)后，凱蒂在興趣的驅(qū)使下，又以博士后的身份加入哈佛大學(xué)的“‘事件視界’望遠(yuǎn)鏡圖像處理”團(tuán)隊(duì)，并一步步成為“事件視界”望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的核心成員。

2006年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”啟動(dòng)并記錄下了第一組天文數(shù)據(jù)。到了2017年，來(lái)自全世界數(shù)十個(gè)科研機(jī)構(gòu)的200多名科學(xué)家正式開(kāi)始勾勒M87黑洞的模樣。2019年4月10日，科學(xué)家正式發(fā)布的首張黑洞照片便是M87的照片。

“沖洗”照片

給黑洞拍照不容易，“沖洗”照片則更不容易。因?yàn)楹诙吹恼掌⒉皇瞧胀ㄒ饬x上的照片，它不是直接快門(mén)一按就拍攝出來(lái)，而是由精銳的計(jì)算機(jī)算法團(tuán)隊(duì)“拼”出來(lái)的，而凱蒂就是黑洞成像算法團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者。

在拍攝黑洞照片時(shí)，世界各地的8處獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡協(xié)同工作，由于黑洞細(xì)節(jié)小、信號(hào)暗、干擾太多，每一處望遠(yuǎn)鏡都會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。據(jù)估計(jì)，在一次歷時(shí)5天的觀測(cè)任務(wù)中，8處望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)可以裝滿1萬(wàn)至2萬(wàn)個(gè)硬盤(pán)，重達(dá)半噸。這么多硬盤(pán)，都會(huì)用飛機(jī)運(yùn)往海斯塔克天文臺(tái)。

面對(duì)這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家有大量工作要做，比如，他們要從數(shù)據(jù)中濾除由大氣濕度等因素引起的噪音，也要對(duì)8處望遠(yuǎn)鏡捕捉到的信號(hào)做精確同步處理。其中，最難的問(wèn)題就是如何將“事件視界”望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一幅合理的視覺(jué)圖像。如果將地球大小的望遠(yuǎn)鏡想象成一顆巨大的迪斯科球，每一面鏡子都會(huì)收集光線，組合到一起就能得到一幅完整的黑洞圖像。但由于“事件視界”望遠(yuǎn)鏡只接入了8處望遠(yuǎn)鏡，這相當(dāng)于將迪斯科球的大部分鏡子移走了，僅有的8面鏡子只能收集到完整圖像中的寥寥極少的部分，科學(xué)家必須通過(guò)縝密的算法填補(bǔ)空缺的部分，才有可能合成一張完整的黑洞照片——這就是凱蒂所承擔(dān)的任務(wù)。

然而，空缺的部分是不能隨意填充的，有很多事情需要考慮。比如，沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)真實(shí)的黑洞，凱蒂在填充圖像時(shí)，不可避免要做些猜測(cè)，但她必須要考慮相對(duì)論以及其他天文學(xué)規(guī)律，否則所做出的圖像的質(zhì)量會(huì)非常差;但另一方面，如果完全按照現(xiàn)有的物理定律來(lái)設(shè)計(jì)算法，那么得到的只會(huì)是科學(xué)家預(yù)想中的圖像，我們不能從這張圖像里看到新的東西。所以，凱蒂只能設(shè)計(jì)大量的算法，從中進(jìn)行甄選和調(diào)試，然后找到最合理的算法，使合成出來(lái)的黑洞圖像能夠在物理定律和猜測(cè)之間達(dá)到一個(gè)平衡，同時(shí)又能使圖像可以與8處望遠(yuǎn)鏡測(cè)量到的信息相符合。

幾年來(lái)，凱蒂進(jìn)行了無(wú)數(shù)次精心設(shè)計(jì)的測(cè)試，旨在做出一張高質(zhì)量的黑洞照片。2018年6月，她又一次將編寫(xiě)的程序代碼付之運(yùn)行，一枚帶有黑色陰影的橙色“魔戒”出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上——這就是2019年4月10日展現(xiàn)在世人面前的黑洞照片，它已經(jīng)最大限度地反映了黑洞的真容。

下一步，凱蒂和“事件視界”項(xiàng)目會(huì)將鏡頭對(duì)準(zhǔn)人馬座A*，同時(shí)也會(huì)有更多的天文臺(tái)加入進(jìn)來(lái)，人馬座A*黑洞位于距離地球2.6萬(wàn)光年的銀河系中心，它是已知離地球最近的超大質(zhì)量黑洞，也是科學(xué)家的最佳觀測(cè)目標(biāo)。屆時(shí)，人類向著探索黑洞奧秘又會(huì)更進(jìn)一步。