事件視界望遠(yuǎn)鏡+“啁啾”=黑洞照片？揭秘黑洞照片背后的神秘之手！

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作者：影晞

原標(biāo)題：事件視界望遠(yuǎn)鏡+“啁啾”=黑洞照片！揭秘黑洞照片背后的神秘之手！

人類歷史上的第一張黑洞正式面世，這張拍了5天，用了兩年成像的的照片背后有何神秘隱情？今天就和小編一起解密這張偉大照片背后的神秘之手！

北京時(shí)間2019年4月10日晚9：00，注定將成為一個(gè)被歷史銘記的時(shí)間。在美國華盛頓、中國上海和臺(tái)北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時(shí)召開新聞發(fā)布會(huì)，公布人類歷史上“第一張黑洞照片”。而這張來自黑洞的照片迅速刷屏朋友圈，登頂微博熱搜。黑洞，這個(gè)早在1916年就出現(xiàn)的名詞，不是藝術(shù)作品，不是想象圖，更不是模擬圖，而是以其真身亮相于大眾面前。這張人類首次拍攝到的黑洞照片，來自M87，其距離地球5500萬光年，質(zhì)量為太陽的65億倍。關(guān)于黑洞的知識(shí)呢各大媒體都有普及，小編就不詳細(xì)介紹了。（還不懂得朋友指路“央視新聞”微博：“九句話看懂黑洞”）。

來源：EHTCollaboration

今天，我們主要來看看這張震驚了人類的照片到底是怎么拍出來的？

黑洞照片怎么拍？

首先，我們了解黑洞照片不能忽略的是望遠(yuǎn)鏡。畢竟離我們5300萬光年，不拿個(gè)放大鏡也看不清楚啊。（雖然這張圖有點(diǎn)高糊）這個(gè)“望遠(yuǎn)鏡”是由全球多國科研人員合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope, 簡稱EHT），但實(shí)際上它并不是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，而是8個(gè)。8個(gè)望遠(yuǎn)鏡怎么運(yùn)作呢？看圖!

因?yàn)楹诙措x地球?qū)嵲谔h(yuǎn)了，我們?nèi)绻胍桓Q黑洞全貌必須得用一個(gè)直徑超級(jí)大的望遠(yuǎn)鏡才能稍稍看清黑洞的樣子，比如和地球直徑一樣的望遠(yuǎn)鏡就足以我們看清楚了。但很顯然，我們建造不了這么大的望遠(yuǎn)鏡，所以人類的智慧在這時(shí)尤其重要。科學(xué)家們基于“甚長基線干涉技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）”理論，將世界各地的望遠(yuǎn)鏡連接起來，構(gòu)建一個(gè)口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡通過原子鐘準(zhǔn)確相連，同時(shí)啟動(dòng)，就可以還原數(shù)萬光年以外，一個(gè)未知天體在某一時(shí)刻的真實(shí)容貌。

 
還不懂，讓專家給你解釋。

“假設(shè)我們能夠建造地球般大小的望遠(yuǎn)鏡，就有點(diǎn)像將地球想像成舞廳里的迪斯科旋轉(zhuǎn)球。每一面鏡子會(huì)搜集光線，然后我們能將這些影響整合成一張圖片。但是，現(xiàn)在讓我們移除大多數(shù)的鏡子，只剩下少數(shù)幾個(gè)。我們?nèi)钥稍囍线@些資訊，但是，現(xiàn)在只能看到很多“孔洞”。這些剩下的鏡子代表那些有望遠(yuǎn)鏡的地方，測(cè)量數(shù)據(jù)少之又少，甚至無法形成一張圖片。雖然我們只在少數(shù)有望遠(yuǎn)鏡的地方搜集光線，地球旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們可以獲得一些新的測(cè)量數(shù)據(jù)。換句話說，就像迪斯可球旋轉(zhuǎn)時(shí)，那些鏡子也會(huì)改變位置，我們得以觀察不同面向的影像。【1】”Katie Bouman，一名麻省理工學(xué)院博士生，同時(shí)也是圖像處理科學(xué)家。她在麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)時(shí)提出了一種新的算法，過濾掉了因大氣濕度等引起的噪聲，可以精確地同步望遠(yuǎn)鏡們采集到的數(shù)據(jù)，最終經(jīng)由四個(gè)團(tuán)隊(duì)，使用三種不同的方式獨(dú)立分析后，得到的M87黑洞影像一致，這才公布于眾，目前Katie Bouman就職于Caltech。（下圖就是這位名叫Katie Bouman的科學(xué)家，是不是年輕又漂亮。）

圖片來自MIT CSAIL

 
聽起來是不是很厲害！

好了，現(xiàn)在照片“拍”好了，怎么“洗”照片呢？

“洗”照片又是一道坎

EHT項(xiàng)目收集的數(shù)據(jù)量非常龐大，半噸半噸...的硬盤被運(yùn)送到了MIT海斯塔克天文臺(tái)（Haystack Observatory），如何將EHT的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像？這給計(jì)算帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

圖片來自Paul Coxon

 
為了協(xié)助拍攝黑洞第一張照片，Bouman設(shè)計(jì)了新的算法來完成黑洞照片的拍攝。Bouman將這一新算法稱作 CHIRP，也叫“啁啾”，就是“使用圖像塊優(yōu)先的連續(xù)高分辨率圖像還原”（Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors的縮寫）。

事件視界望遠(yuǎn)鏡使用了一種稱為干涉測(cè)量的技術(shù)，它結(jié)合了望遠(yuǎn)鏡對(duì)探測(cè)到的信號(hào)，從而使信號(hào)相互干擾。實(shí)際上，啁啾可以應(yīng)用于任何使用無線電干涉測(cè)量的成像系統(tǒng)。

 
通常，天文信號(hào)會(huì)在稍有不同的時(shí)間到達(dá)任何兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡?？紤]到這種差異對(duì)于從信號(hào)中提取視覺信息是至關(guān)重要的，但是地球的大氣層也可以減緩無線電波的傳播，夸大到達(dá)時(shí)間的差異，并放棄干涉成像所依賴的計(jì)算。

Bouman對(duì)這個(gè)問題采用了一種巧妙的代數(shù)解：如果三臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量值相乘，大氣噪聲造成的額外延遲就會(huì)相互抵消。這就意味著每一次新的測(cè)量都需要來自三個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，而不僅僅是兩個(gè)，而且精度的提高彌補(bǔ)了信息的丟失。

 
即使過濾掉了大氣噪聲，從散布在全球各地的少數(shù)望遠(yuǎn)鏡獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)也相當(dāng)稀疏；任何數(shù)量的可能圖像都可以同樣很好地?cái)M合數(shù)據(jù)。因此，下一步是組裝一個(gè)既適合數(shù)據(jù)又滿足對(duì)圖像外觀的特定期望的圖像。Bouman和她的同事也在這方面做出了貢獻(xiàn)。

 
傳統(tǒng)上用于解釋天文干涉數(shù)據(jù)的算法假定圖像是單個(gè)光點(diǎn)的集合，并試圖找到亮度和位置與數(shù)據(jù)最匹配的點(diǎn)。然后，該算法將相鄰的亮點(diǎn)模糊在一起，試圖恢復(fù)天文學(xué)圖像的某些連續(xù)性。

 
為了產(chǎn)生更可靠的圖像，Chirp使用了一個(gè)比單個(gè)點(diǎn)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的模型，但仍然可以在數(shù)學(xué)上進(jìn)行處理。你可以把這個(gè)模型想象成一個(gè)橡膠板，上面覆蓋著規(guī)則間隔的圓錐體，圓錐體的高度各不相同，但底部的直徑相同。【2】

 
“像法庭的素描家一樣，利用有限的相貌描述以及他們對(duì)于臉部結(jié)構(gòu)的知識(shí)，將表現(xiàn)相貌圖片的特點(diǎn)拼湊出來，我開發(fā)的影像演算法使用有限的望遠(yuǎn)鏡資料為我們生成這種影響：類似于宇宙中的事物的影響。利用這些演算法，讓我們能夠利用零零散散的資料拼湊出黑洞可能的樣子。”“我們能夠仰賴這樣的模擬演算法，很快地得到黑洞的第一張照片，同時(shí)也能計(jì)算‘光環(huán)’的大小。【1】”Bouman說。

 
誰說科學(xué)家只會(huì)說專業(yè)術(shù)語，這位科學(xué)家小姐姐講的理論就很通俗易懂，雖然只是個(gè)大概，但也能想象得到背后其實(shí)還是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算。5天的時(shí)間拍出的照片用兩年的時(shí)間進(jìn)行成像，向拍出偉大照片的科學(xué)家們致敬！

拍黑洞照片有啥用？

不過，小編還有個(gè)疑問。科學(xué)家們?nèi)绱速M(fèi)心費(fèi)力的拍出了黑洞照片僅僅是為了一窺黑洞的神秘面貌嗎？對(duì)未來探索宇宙有什么幫助？

有專家給出了答案：黑洞照片的這次的直接成像除了幫助我們直接確認(rèn)了黑洞的存在，同時(shí)也通過模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論做出了驗(yàn)證。在視界面望遠(yuǎn)鏡的工作過程和后來的數(shù)據(jù)分析過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，所觀測(cè)到的黑洞陰影和相對(duì)論所預(yù)言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。

愛因斯坦

另外一個(gè)重要意義在于，科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對(duì)M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量。在此之前，精確測(cè)量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。

受限于觀測(cè)分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細(xì)節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運(yùn)動(dòng)、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制，完善我們對(duì)于星系演化的認(rèn)知與理解。【3】

注：

【1】：《Katie Bouman: 如何拍攝黑洞的照片》演講

【2】：麻省理工學(xué)院新聞辦公室發(fā)表《一種黑洞成像方法——新的算法可以將全球天文測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來》（由百度翻譯軟件翻譯而來）

【3】：科普中國出品《人類首張黑洞照片為啥高糊？一文權(quán)威解答你最關(guān)心的8個(gè)黑洞問題》

來源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：影晞

編輯：IPRdaily王穎          校對(duì)：IPRdaily縱橫君

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