從拍照到“沖洗照片”讓黑洞“現(xiàn)真容”，沒(méi)那么容易

老喬

在過(guò)去，人們用膠卷拍攝照片，拍完后，人們需要對(duì)膠卷進(jìn)行比較繁瑣的沖洗處理，然后才能把膠卷上記錄的圖像和顏色顯示成照片。可是要得到黑洞的照片，比沖印膠卷照片難多了。

北京時(shí)間2019年4月10日21點(diǎn)整，天文學(xué)家們公布了人類首次拍攝到的黑洞照片。其實(shí)，這張黑洞照片的拍攝時(shí)間為2017年4月5-11日，卻直到近期，科學(xué)家們才正式得到這張照片并公之于眾。換句話說(shuō)，“沖洗”這張照片花了2年時(shí)間，可以想象這其中的艱難。給黑洞拍照，可能嗎？

此次公布的照片中的黑洞，位于室女座星系團(tuán)中一個(gè)巨橢圓星系M87的中心。接下來(lái)，我們將從研究這個(gè)黑洞來(lái)反推給黑洞拍照的理論依據(jù)。

M87星系位于銀河系外，是室女座星系團(tuán)的成員，它是天空中最明亮的星系之一。1918年，美國(guó)天文學(xué)家希伯·柯蒂斯首次觀測(cè)到了這個(gè)星系有一束奇怪的由物質(zhì)組成的線，稱為“物質(zhì)噴流”，它與星系中心相連，延伸達(dá)5000光年。合理的科學(xué)猜想是，M87中心有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，它強(qiáng)大的引力聚集了周圍的星際氣體與塵埃，它們運(yùn)動(dòng)的離心力慢慢與黑洞的引力相平衡，形成繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的吸積盤（一種由彌散物質(zhì)組成的、圍繞中心體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)）。吸積盤的磁場(chǎng)被旋轉(zhuǎn)的黑洞所扭曲，當(dāng)磁力線被纏緊時(shí)，一些物質(zhì)被以極高的速度拋出，形成噴流。這些被噴射出的高能粒子也可能到達(dá)地球，成為高能宇宙射線的一部分。另一方面，轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體也會(huì)不斷釋放能量，被加熱后向外產(chǎn)生輻射，以電磁波的形式釋放出來(lái)。

在黑洞周圍一個(gè)范圍內(nèi)，包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)都無(wú)法逃脫黑洞的引力，任何信息也無(wú)法從黑洞中釋放出來(lái)，這個(gè)范圍稱為“事件視界”。吸積盤距離黑洞約幾百到幾萬(wàn)倍事件視界。因此，黑洞本身因?yàn)槲账形镔|(zhì)導(dǎo)致無(wú)法探測(cè)，但是可以通過(guò)吸積盤和噴射的電磁輻射信號(hào)來(lái)捕捉它。而科學(xué)家所期待的黑洞照片的特征，即為有電磁輻射的吸積盤圍繞著跨過(guò)事件視界的黑洞的區(qū)域。

給黑洞拍照，得選什么“相機(jī)”？

根據(jù)理論，吸積盤中的氣體輻射強(qiáng)度最高的電磁波波長(zhǎng)為1毫米，可對(duì)應(yīng)無(wú)線電波的波長(zhǎng)，需要使用射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)。

天文學(xué)中常用角直徑來(lái)描述遠(yuǎn)處天體的直徑。假設(shè)在10米遠(yuǎn)處觀察一個(gè)直徑為9厘米的物體，那么角直徑為0.5。，恰好近似等于在地球上看滿月時(shí)月球的角直徑。按照這個(gè)計(jì)算可知，就算天體非常巨大，但是與地球距離太遠(yuǎn)的話，角直徑會(huì)非常小。而黑洞的視界半徑為3 300萬(wàn)千米，因此角直徑約為5.5×10-5角秒，這相當(dāng)于要用鏡頭記錄下20千米處的一粒直徑為2.5微米的灰塵！

此外，天文學(xué)中的角分辨率定義為，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡恰好能夠分辨出遠(yuǎn)處2個(gè)光源時(shí)，2個(gè)光源到望遠(yuǎn)鏡之間的最小夾角。而要測(cè)黑洞的望遠(yuǎn)鏡所瞄準(zhǔn)的電磁波波長(zhǎng)為1.3毫米，角分辨率必須小于角直徑才能觀測(cè)到黑洞的結(jié)構(gòu)，因此可以推算出所需的望遠(yuǎn)鏡透鏡直徑要達(dá)到約1萬(wàn)千米，這相當(dāng)于地球的直徑。做出直徑和地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)實(shí)中是不可能的。目前全球最大的射電望遠(yuǎn)鏡，位于貴州的“FAST”，直徑才500米。

早在1962年，英國(guó)天文學(xué)家馬丁·賴爾就提出了天文干涉儀的想法，即使用分處兩地的2架射電望遠(yuǎn)鏡接收同一天體發(fā)出的無(wú)線電波，這樣得到的觀測(cè)分辨率等效于用一臺(tái)直徑為兩地之間距離的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)所得。這次給黑洞拍照所使用的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（ Event HorizonTelescope，簡(jiǎn)稱EHT）則是利用分布在世界各地天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)原子鐘與全球定位系統(tǒng)（ GPS）校準(zhǔn)時(shí)間來(lái)進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)，形成一組望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)或陣列系統(tǒng)。同時(shí)，地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又給位于不同地點(diǎn)的望遠(yuǎn)鏡帶來(lái)了不同的拍攝角度。這樣，把這些來(lái)自不同天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡拍攝的信息進(jìn)行處理后，相當(dāng)于在用一臺(tái)直徑為地球大小的望遠(yuǎn)鏡來(lái)拍攝照片。

花了2年時(shí)間，才讓黑洞“現(xiàn)真容”！

看到這里，想必同學(xué)們也能想到了，原來(lái)，“相機(jī)”（即“事件視界望遠(yuǎn)鏡”）最初記錄的黑洞并不是圖片信息，而是一些無(wú)線電波信號(hào)。而要想最終見到黑洞的“真容”，要將望遠(yuǎn)鏡接收到的無(wú)線電波信號(hào)進(jìn)行分析和處理，轉(zhuǎn)換成黑洞的圖像，而這依然是個(gè)極大的挑戰(zhàn)。因?yàn)椋谶@次拍照過(guò)程中，實(shí)際能用到的地理位置合適、波段探測(cè)靈敏度也合適的“相機(jī)”，全球才有8個(gè)，這相當(dāng)于在一張地球大小的圖片上，只畫了稀疏的幾個(gè)點(diǎn)，然后要把它們整合成一張完整的圖像。另外，宇宙空間并不是空蕩蕩的，而是布滿了各種其他的天體，這又引入了海量的背景噪音，使人們要從將近5PB（拍字節(jié)，相當(dāng)于500萬(wàn)套大英百科全書的容量）的數(shù)據(jù)中挖掘出黑洞的圖像。

因此，科研團(tuán)隊(duì)需要?jiǎng)佑枚喾矫嫦冗M(jìn)的技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，并最終用2年的時(shí)間才獲得了現(xiàn)在同學(xué)們看到的照片。

信號(hào)處理

發(fā)明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的澳大利亞科學(xué)家約翰·奧沙利文曾經(jīng)在天文臺(tái)工作，致力于搜索迷你黑洞的信號(hào)。然而，因?yàn)槲⑷醯暮诙葱盘?hào)湮沒(méi)在背景噪音里，他的努力最后沒(méi)有成功，而他研發(fā)的無(wú)線電天文圖像增強(qiáng)技術(shù)卻正好運(yùn)用在了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上。其中的一項(xiàng)核心技術(shù)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行一種叫“快速傅里葉變換”的數(shù)學(xué)處理方法（主要利用周期性函數(shù)疊加，把信號(hào)進(jìn)行重新編制，把原來(lái)以時(shí)間為函數(shù)的信號(hào)變換為以頻率為函數(shù)的信號(hào)）。通過(guò)將時(shí)間函數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率函數(shù)信號(hào)，能夠把信號(hào)里不同的組分區(qū)分出來(lái)，只挑選研究人員感興趣的信號(hào)。比如，一個(gè)由5個(gè)不同周期的正弦函數(shù)疊加而成的信號(hào)，如果我們只對(duì)其中周期為50赫茲的信號(hào)感興趣，但又不了解其他的信號(hào)（視為背景噪音），單從時(shí)間函數(shù)信號(hào)圖中很難將它挑出來(lái)。而經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后，我們可以很清晰地區(qū)分不同頻率，把背景噪音逐一消除，將所要的信號(hào)分離出來(lái)。

黑洞模擬

在獲取比較干凈的信號(hào)后，人們要將信號(hào)還原成一張照片，如前文所述，還原照片還得面臨數(shù)據(jù)點(diǎn)太稀疏的問(wèn)題。另外，在處理數(shù)據(jù)時(shí)也需要非常謹(jǐn)慎，回避因?yàn)橹饔^判斷而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“不客觀”的處理。

為了獲得黑洞的圖像，人們可以將接收到的電磁波信號(hào)，在進(jìn)行各種處理后，與模擬圖像進(jìn)行比較，計(jì)算相符合程度的概率，從而挑出在進(jìn)行不同分析處理后，最符合黑洞的照片。

在模擬黑洞時(shí)，人們用到了光線追蹤技術(shù)。當(dāng)光源發(fā)出的光線照射到物體上時(shí)，光會(huì)被反射、折射、透射或者吸收，然后再進(jìn)入我們的眼睛，形成物體的圖像。如果知道光源的位置、物體的形狀，通過(guò)運(yùn)用幾何和物理知識(shí)，我們可以計(jì)算出光線的路徑。對(duì)于黑洞，由于它有強(qiáng)大的引力作用，還需要引入廣義相對(duì)論等復(fù)雜的理論計(jì)算。科學(xué)家們開發(fā)了黑洞的光線追蹤計(jì)算機(jī)程序，可以根據(jù)觀測(cè)到的頻率信號(hào)產(chǎn)生計(jì)算機(jī)模擬的黑洞三維圖像。因此，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助人們預(yù)估黑洞的照片應(yīng)該是怎樣的;相反地，也可以將模擬圖像與實(shí)際得到的圖像比較，來(lái)檢驗(yàn)理論，或 者獲取黑洞的參數(shù)。例如，電影《星際穿越》！中科學(xué)家模擬的黑洞。

數(shù)據(jù)處理

為了更有效、更合理地處理數(shù)據(jù)，EHT團(tuán)隊(duì)的凱蒂-伯曼博士等人采用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，他們?cè)谀M黑洞圖像的基礎(chǔ)上，輸入大量不同的圖片，包括不同星系的圖像、其他天體的圖像，甚至是人們?nèi)粘５男δ榿?lái)訓(xùn)練算法，使算法生成的圖像，即黑洞圖片的像素點(diǎn)能很好地符合數(shù)據(jù)點(diǎn)，并檢驗(yàn)結(jié)果是否合理。一些復(fù)雜的物理機(jī)制對(duì)圖片的影響，比如星際物質(zhì)對(duì)電磁波的散射，也納入了測(cè)試與檢驗(yàn)中。

本文簡(jiǎn)要介紹了拍攝黑洞照片所涉及的若干技術(shù)，但這些對(duì)于整個(gè)研究來(lái)說(shuō)只是滄海一粟。我們可以看到，黑洞照片的拍攝不單有天文學(xué)家和物理學(xué)家參與，還涉及電子信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)和人工智能領(lǐng)域的發(fā)展和貢獻(xiàn)。這也要求研究人員在精通本身研究領(lǐng)域的同時(shí)，還需要有較寬的視野和協(xié)同合作的能力。（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對(duì)：曹偉）