黑洞“底細”了！ 從手稿到標準照的40年

盡管M87黑洞的成像圖已非常靠近完美地出現出黑洞的姿勢，不過關于一些尋求極致的地輿學家而言，它的容貌仍然不可清楚

錢童心

集全球多個地輿臺站與科學家之力，人類總算看見了距地球5500萬光年之外的黑洞“底細”。

從1979年第一張黑洞手繪稿問世，到2019年第一張黑洞相片發布，履歷了整整40年。先進的勘探技術和數據處理方法讓人類印證了科學的夢想與實踐之間，原本可以如此靠近。

像極了40年前的對錯手繪稿

首張黑洞相片于4月10日21時在我國上海和臺北等全球六地一同發布。該黑洞圖像提醒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。相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”。

“工作視界望遠鏡（EventHorizonTelescope，EHT）拍攝到的這張黑洞圖片，從任何角度來看，無論是形狀仍是顏色，都像極了1989年根據我的一張對錯手繪稿用核算機仿照出來的圖片。”

4月11日，法國天體物理學家、現任法國國家科學研討中心（CNRS）主任、第一張黑洞仿照圖撰稿人讓-皮埃爾·盧米涅（Jean-PierreLuminet）在看到首張黑洞相片后，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夢想。

“人們驚訝于圖片竟然與理論核算的模型如此一同，愛因斯坦現在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夢想的黑洞相仿。他標明，“盡管黑洞對錯常簡略的物體，但是引發人類對世界和天然的考慮是最為深層的，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）及盧米涅等人核算出了黑洞的圖像。

盧米涅回想道：“首張黑洞圖的制造作業要追溯到1972年，當時在法國萊蘇什（LesHouches）的夏天校園里，巴爾蒂恩研討分析了克爾黑洞（Kerrblackhole），并核算出黑洞的自轉怎樣影響工作視界投影的形狀。他的效果是當黑洞自轉靠近角度峰值時，會構成一個D形狀的陰影。”

1978年，當時仍是巴黎默東（ParisMeudon）地輿臺一名年青研討員的盧米涅初步著手制造黑洞工作視界的第一幅“肖像”。他仰仗自己的數學布景，運用一臺上世紀60年代的IBM7040穿孔核算機，初度仿照出黑洞的姿勢。

不過由于當時并沒有先進的繪圖軟件，盧米涅抉擇赤手制造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，在仿照圖像閃現亮度高的當地布滿地址上墨汁。”至今回想起來，盧米涅仍然覺得這是一個費勁的活。

他說道：“接下來，我再用一張負片將對錯進行反轉，這樣原本墨濃的當地就變白了，原本布景亮的當地就變黑了，畢竟構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，這張手繪圖總算誕生。

“超算”女博士立大功

但是今天，科學家再也不用像40年前的盧米涅相同費勁地手工“洗相片”了。

從給黑洞“拍攝”到“洗照”，整個進程都在核算機的大數據超功用核算處理中完結了，從望遠鏡收集數據，再將數據導出到移動硬盤，到相關比對、參數擬合到畢竟成像導出人們所看到的黑洞圖，整個進程幾乎全部由核算機處理。

“這在十年前是無法夢想的，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）教授標明，“技術的打破、世界上最好的射電地輿臺之間的協作、立異的算法都集聚到一同，打開了一個關于黑洞和工作視界的全新窗口。”

盡管有超算協助，但核算進程仍然耗費了科學家們近兩年的時間。最大的應戰在于，怎樣把重達半噸的巨量數據組成一張黑洞相片。

中科院上海地輿臺路如森研討員對第一財經記者標明：“這是一個集聚了十幾臺站望遠鏡陣的項目，每臺站又有許多個望遠鏡組成，幾天內發作的觀測數據相當于歐洲核子研討中心（CERN）一年的數據量。關于這樣一個凌亂工作的出現，科學家會分紅獨立的作業組，每一個作業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華看完，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-普朗克研討所（類似中科院的研討體系，下稱“馬普所”）等安排開宣告全新的算法，加速數據分析。

為此，這個世界協作項目邀請了數據科學家參與，一同完結這項“洗相片”的任務。其間一位名叫凱蒂·伯曼（KatieBouman）的麻省理工學院女博士生所做的作業，關于整個項目的貢獻眾所周知。

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標明：“一箱一箱承載著黑洞相片的數據硬盤被送到美國麻省理工和波恩的馬普所，處理這些數據需求許多的作業。”

伯曼提出了CHIRP的算法，通過干與重建黑洞。她發明的算法最重要的貢獻在于，運用多臺望遠鏡的效果做彼此相關然后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說明說：“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發作的過失又是獨立而不相關的，假如用多臺望遠鏡相乘的效果讓噪聲抵消，那么時間差就能被修改，并畢竟抵消時間差的‘噪聲’。”

長達20年的等候

此次科學家選中的黑洞拍攝對象是M87中心的黑洞，這個黑洞也被公認為世界中的“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*黑洞圖片卻遭受“跳票”。

對此，法爾克教授在布魯塞爾的發布會上說明稱：“人馬座A*黑洞就像一個奸刁的嬰兒，動得太快，不利于圖像的捕捉。我們意識到這一點后，就把首要精力都放在了M87黑洞上。”

法爾克作為“黑洞拍攝”項目的發起人，為這一天等候了20年。20年前，他在做研討時就發現，在黑洞周圍可能會發作某種射電波，從地球上的望遠鏡可以發現這種強波。

為了證明自己的判別，法爾克說服了歐洲研討理事會（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）和東亞資助安排也參與其間，總資助金額逾越4650萬歐元（約合3.52億元人民幣）。

“這是一個漫長的旅程，但畢竟我親眼看到了。”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與陣列，打造了一個超級巨無霸“相機”——虛擬的工作視界望遠鏡（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求，我國科學院地輿大科學研討中心（CAMS）也參與了陣營——CAMS由我國國家地輿臺、紫金山地輿臺和上海地輿臺一同建立，是EHT的三大協作安排之一。

中科大物理學院地輿學系教授袁業飛對第一財經標明：“我國科學家選用的是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，并且在數據分析上也有關鍵性的貢獻；更重要的是許多我國科學家的貢獻也來自理論方面，包括怎樣從理論方面解析觀測地輿學家的觀測效果。”

盡管此次發布的M87黑洞成像圖已非常靠近完美地出現出黑洞的姿勢，不過關于一些尋求極致的地輿學家而言，它的容貌仍然不可清楚。

“迷糊是由于工作視界望遠鏡的分辨率還不可好。”《星際穿越》科學顧問、諾貝爾物理學獎獲得者基普·索恩做出了如上說明。EHT研討人員也已標明，跟著未來更多望遠鏡的參與，以及望遠鏡本身功用的改善，未來科學家們會得到更加“高清”的圖片。