黑洞“真相”了！ 從手稿到標準照的40年

　　盡管M87黑洞的成像圖已非常接近完美地呈現出黑洞的樣子，不過對于一些追求極致的天文學家而言，它的模樣仍然不夠清晰

 

　　集全球多個天文臺站與科學家之力，人類終于看見了距地球5500萬光年之外的黑洞“真相”。

 

　　從1979年第一張黑洞手繪稿問世，到2019年第一張黑洞照片發布，經歷了整整40年。先進的探測技術和數據處理方法讓人類印證了科學的想象與現實之間，原來可以如此接近。

 

　　像極了40年前的黑白手繪稿

 

　　首張黑洞照片于4月10日21時在中國上海和臺北等全球六地同時發布。該黑洞圖像揭示了室女座星系團中超大質量星系Messier87中心的黑洞。該黑洞質量為太陽的65億倍。照片乍看上去像不那么規則的甜甜圈，或火爐中的煤火。外圈是橙紅色光暈，中心的暗弱區域即為“黑洞陰影”。

 

　　“事件視界望遠鏡（EventHorizonTelescope，EHT）拍攝到的這張黑洞圖片，從任何角度來看，無論是形狀還是顏色，都像極了1989年基于我的一張黑白手繪稿用計算機模擬出來的圖片。”

 

　　4月11日，法國天體物理學家、現任法國國家科學研究中心（CNRS）主任、第一張黑洞模擬圖撰稿人讓-皮埃爾·盧米涅（Jean-PierreLuminet）在看到首張黑洞照片后，向第一財經記者發來了這樣一段話。

 

　　黑洞面紗被揭開，也印證了包括《星際穿越》等好萊塢科幻片中對黑洞的想象。

 

　　“人們驚訝于圖片竟然與理論計算的模型如此一致，愛因斯坦目前來看再次被證明是對的。”參與EHT項目的英國倫敦大學學院尤尼斯（ZiriYounsi）博士說，這一圖像與理論物理學家和好萊塢導演們所設想的黑洞相仿。他表示，“雖然黑洞是非常簡單的物體，但是引發人類對宇宙和自然的思考是最為深層的，甚至關系到人類的終極存在。”

 

　　一百年前，愛因斯坦廣義相對論提出后不久，便有科學家探討了黑洞周圍的光線彎曲現象。上世紀70年代，詹姆士·巴爾蒂恩（JamesBardeen）及盧米涅等人計算出了黑洞的圖像。

 

　　盧米涅回憶道：“首張黑洞圖的繪制工作要追溯到1972年，當時在法國萊蘇什（LesHouches）的夏季學校里，巴爾蒂恩研究分析了克爾黑洞（Kerrblackhole），并計算出黑洞的自轉如何影響事件視界投影的形狀。他的結果是當黑洞自轉接近角度峰值時，會形成一個D形狀的陰影。”

 

　　1978年，當時還是巴黎默東（ParisMeudon）天文臺一名年輕研究員的盧米涅開始著手繪制黑洞事件視界的第一幅“肖像”。他憑借自己的數學背景，使用一臺上世紀60年代的IBM7040穿孔計算機，首次模擬出黑洞的樣子。

 

　　不過由于當時并沒有先進的繪圖軟件，盧米涅決定赤手繪制這幅超高難度的黑洞圖。“我從電腦中導出數據文件，將坎森紙負片作為底片，用墨汁一點點涂上去，在模擬圖像顯示亮度高的地方密集地點上墨汁。”至今回憶起來，盧米涅仍然覺得這是一個費力的活。

 

　　他說道：“接下來，我再用一張負片將黑白進行反轉，這樣原來墨濃的地方就變白了，原來背景亮的地方就變黑了，最后形成了一張看上去并不對稱、但符合科學的視覺化黑洞圖像。”

 

　　1979年，這張手繪圖終于誕生。

 

　　“超算”女博士立大功

 

　　但是今天，科學家再也不用像40年前的盧米涅一樣費力地手工“洗照片”了。

 

　　從給黑洞“拍照”到“洗照”，整個過程都在計算機的大數據超性能計算處理中實現了，從望遠鏡收集數據，再將數據導出到移動硬盤，到關聯比對、參數擬合到最終成像導出人們所看到的黑洞圖，整個過程幾乎全部由計算機處理。

 

　　“這在十年前是無法想象的，但是今天我們做到了。”哈佛-史密松森天體物理中心的謝潑德·多爾曼（SheperdS.Doeleman）教授表示，“技術的突破、世界上最好的射電天文臺之間的合作、創新的算法都匯聚到一起，打開了一個關于黑洞和事件視界的全新窗口。”

 

　　盡管有超算幫忙，但計算過程仍然耗費了科學家們近兩年的時間。最大的挑戰在于，如何把重達半噸的巨量數據合成一張黑洞照片。

 

　　中科院上海天文臺路如森研究員對第一財經記者表示：“這是一個匯聚了十幾臺站望遠鏡陣的項目，每臺站又有很多個望遠鏡組成，幾天內產生的觀測數據相當于歐洲核子研究中心（CERN）一年的數據量。對于這樣一個復雜事件的出現，科學家會分成獨立的工作組，每一個工作組會有不同的小組進行處理，參與數據處理，進行比對。”

 

　　據了解，由于各個望遠鏡觀察到的數據量加起來足有3600TB，換算成電影大小要幾百年才能看完，因此這些數據無法通過網絡傳送，就只能被存儲在移動硬盤里直接運往美國波士頓和德國波恩的數據處理中心，并由麻省理工學院和馬克斯-普朗克研究所（類似中科院的研究體系，下稱“馬普所”）等機構開發出全新的算法，加速數據分析。

 

　　為此，這個國際合作項目邀請了數據科學家參與，共同完成這項“洗照片”的任務。其中一位名叫凱蒂·伯曼（KatieBouman）的麻省理工學院女博士生所做的工作，對于整個項目的貢獻引人注目。

 

　　EHT科學委員會主席、來自荷蘭拉德堡德大學的海諾·法爾克（HeinoFalcke）在布魯塞爾的發布會上表示：“一箱一箱承載著黑洞照片的數據硬盤被送到美國麻省理工和波恩的馬普所，處理這些數據需要大量的工作。”

 

　　伯曼提出了CHIRP的算法，通過干涉重建黑洞。她發明的算法最重要的貢獻在于，利用多臺望遠鏡的結果做互相關聯從而抵消不同大氣環境所導致的測量時間差，也就是所謂的“噪聲”。

 

　　馬普所博士后張淵皞對第一財經記者解釋說：“來自黑洞方向的無線電信號是相關的，但每臺望遠鏡所在位置產生的誤差又是獨立而不相關的，如果用多臺望遠鏡相乘的結果讓噪聲抵消，那么時間差就能被修正，并最終抵消時間差的‘噪聲’。”

 

　　長達20年的等待

 

　　此次科學家選中的黑洞拍照對象是M87中心的黑洞，這個黑洞也被公認為宇宙中的“黑洞之王”。它的直徑足有400億公里，是地球的300萬倍；質量是太陽的65億倍，甚至大過整個太陽系，科學家稱之為“怪獸”。

 

　　令人意外的是，此前呼聲更高的人馬座A*黑洞圖片卻遭遇“跳票”。

 

　　對此，法爾克教授在布魯塞爾的發布會上解釋稱：“人馬座A*黑洞就像一個調皮的嬰兒，動得太快，不利于圖像的捕捉。我們意識到這一點后，就把主要精力都放在了M87黑洞上。”

 

　　法爾克作為“黑洞拍照”項目的發起人，為這一天等待了20年。20年前，他在做研究時就發現，在黑洞周圍可能會產生某種射電波，從地球上的望遠鏡可以發現這種強波。

 

　　為了證明自己的判斷，法爾克說服了歐洲研究理事會（EuropeanResearchCouncil），申請到經費來資助這一項目，后來美國國家科學基金會（NSF）和東亞資助機構也加入其中，總資助金額超過4650萬歐元（約合3.52億元人民幣）。

 

　　“這是一個漫長的旅程，但最終我親眼看到了。”法爾克說。

 

　　他們動用了全球8個臺站的毫米波望遠鏡組成干涉陣列，打造了一個超級巨無霸“相機”——虛擬的事件視界望遠鏡（EHT）。這些望遠鏡被分布在世界最偏僻的角落，包括夏威夷的火山、亞利桑那州的高峰、智利的荒漠以及冰天雪地的南極。

 

　　為了這一激動人心的探索，中國科學院天文大科學研究中心（CAMS）也加入了陣營——CAMS由中國國家天文臺、紫金山天文臺和上海天文臺共同建立，是EHT的三大合作機構之一。

 

　　中科大物理學院天文學系教授袁業飛對第一財經表示：“中國科學家采用的是1.3毫米的射電望遠鏡觀測，不僅在EHT的聯網觀測上面有貢獻，而且在數據分析上也有關鍵性的貢獻；更重要的是很多中國科學家的貢獻也來自理論方面，包括怎么從理論方面解析觀測天文學家的觀測結果。”

 

　　盡管此次發布的M87黑洞成像圖已非常接近完美地呈現出黑洞的樣子，不過對于一些追求極致的天文學家而言，它的模樣仍然不夠清晰。

 

　　“模糊是因為事件視界望遠鏡的分辨率還不夠好。”《星際穿越》科學顧問、諾貝爾物理學獎獲得者基普·索恩做出了如上解釋。EHT研究人員也已表示，隨著未來更多望遠鏡的加入，以及望遠鏡本身性能的改善，未來科學家們會得到更加“高清”的圖片。