盡管M87黑洞的成像圖已非常接近完美地呈現(xiàn)出黑洞的樣子，不過(guò)對(duì)于一些追求極致的天文學(xué)家而言，它的模樣仍然不夠清晰

 

　　集全球多個(gè)天文臺(tái)站與科學(xué)家之力，人類終于看見(jiàn)了距地球5500萬(wàn)光年之外的黑洞“真相”。

 

　　從1979年第一張黑洞手繪稿問(wèn)世，到2019年第一張黑洞照片發(fā)布，經(jīng)歷了整整40年。先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法讓人類印證了科學(xué)的想象與現(xiàn)實(shí)之間，原來(lái)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(shí)在中國(guó)上海和臺(tái)北等全球六地同時(shí)發(fā)布。該黑洞圖像揭示了室女座星系團(tuán)中超大質(zhì)量星系Messier87中心的黑洞。該黑洞質(zhì)量為太陽(yáng)的65億倍。照片乍看上去像不那么規(guī)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(qū)域即為“黑洞陰影”。

 

　　“事件視界望遠(yuǎn)鏡（EventHorizonTelescope，EHT）拍攝到的這張黑洞圖片，從任何角度來(lái)看，無(wú)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(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的圖片。”

 

　　4月11日，法國(guó)天體物理學(xué)家、現(xiàn)任法國(guó)國(guó)家科學(xué)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(cái)經(jīng)記者發(fā)來(lái)了這樣一段話。

 

　　黑洞面紗被揭開(kāi)，也印證了包括《星際穿越》等好萊塢科幻片中對(duì)黑洞的想象。

 

　　“人們驚訝于圖片竟然與理論計(jì)算的模型如此一致，愛(ài)因斯坦目前來(lái)看再次被證明是對(duì)的。”參與EHT項(xiàng)目的英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院尤尼斯（ZiriYounsi）博士說(shuō)，這一圖像與理論物理學(xué)家和好萊塢導(dǎo)演們所設(shè)想的黑洞相仿。他表示，“雖然黑洞是非常簡(jiǎn)單的物體，但是引發(fā)人類對(duì)宇宙和自然的思考是最為深層的，甚至關(guān)系到人類的終極存在。”

 

　　一百年前，愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論提出后不久，便有科學(xué)家探討了黑洞周圍的光線彎曲現(xiàn)象。上世紀(jì)70年代，詹姆士·巴爾蒂恩（JamesBardeen）及盧米涅等人計(jì)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(dāng)時(shí)在法國(guó)萊蘇什（LesHouches）的夏季學(xué)校里，巴爾蒂恩研究分析了克爾黑洞（Kerrblackhole），并計(jì)算出黑洞的自轉(zhuǎn)如何影響事件視界投影的形狀。他的結(jié)果是當(dāng)黑洞自轉(zhuǎn)接近角度峰值時(shí)，會(huì)形成一個(gè)D形狀的陰影。”

 

　　1978年，當(dāng)時(shí)還是巴黎默東（ParisMeudon）天文臺(tái)一名年輕研究員的盧米涅開(kāi)始著手繪制黑洞事件視界的第一幅“肖像”。他憑借自己的數(shù)學(xué)背景，使用一臺(tái)上世紀(jì)60年代的IBM7040穿孔計(jì)算機(jī)，首次模擬出黑洞的樣子。

 

　　不過(guò)由于當(dāng)時(shí)并沒(méi)有先進(jìn)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(dǎo)出數(shù)據(jù)文件，將坎森紙負(fù)片作為底片，用墨汁一點(diǎn)點(diǎn)涂上去，在模擬圖像顯示亮度高的地方密集地點(diǎn)上墨汁。”至今回憶起來(lái)，盧米涅仍然覺(jué)得這是一個(gè)費(fèi)力的活。

 

　　他說(shuō)道：“接下來(lái)，我再用一張負(fù)片將黑白進(jìn)行反轉(zhuǎn)，這樣原來(lái)墨濃的地方就變白了，原來(lái)背景亮的地方就變黑了，最后形成了一張看上去并不對(duì)稱、但符合科學(xué)的視覺(jué)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(xué)家再也不用像40年前的盧米涅一樣費(fèi)力地手工“洗照片”了。

 

　　從給黑洞“拍照”到“洗照”，整個(gè)過(guò)程都在計(jì)算機(jī)的大數(shù)據(jù)超性能計(jì)算處理中實(shí)現(xiàn)了，從望遠(yuǎn)鏡收集數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到移動(dòng)硬盤(pán)，到關(guān)聯(lián)比對(duì)、參數(shù)擬合到最終成像導(dǎo)出人們所看到的黑洞圖，整個(gè)過(guò)程幾乎全部由計(jì)算機(jī)處理。

 

　　“這在十年前是無(wú)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(shù)的突破、世界上最好的射電天文臺(tái)之間的合作、創(chuàng)新的算法都匯聚到一起，打開(kāi)了一個(gè)關(guān)于黑洞和事件視界的全新窗口。”

 

　　盡管有超算幫忙，但計(jì)算過(guò)程仍然耗費(fèi)了科學(xué)家們近兩年的時(shí)間。最大的挑戰(zhàn)在于，如何把重達(dá)半噸的巨量數(shù)據(jù)合成一張黑洞照片。

 

　　中科院上海天文臺(tái)路如森研究員對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示：“這是一個(gè)匯聚了十幾臺(tái)站望遠(yuǎn)鏡陣的項(xiàng)目，每臺(tái)站又有很多個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成，幾天內(nèi)產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)于歐洲核子研究中心（CERN）一年的數(shù)據(jù)量。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜事件的出現(xiàn)，科學(xué)家會(huì)分成獨(dú)立的工作組，每一個(gè)工作組會(huì)有不同的小組進(jìn)行處理，參與數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行比對(duì)。”

 

　　據(jù)了解，由于各個(gè)望遠(yuǎn)鏡觀察到的數(shù)據(jù)量加起來(lái)足有3600TB，換算成電影大小要幾百年才能看完，因此這些數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送，就只能被存儲(chǔ)在移動(dòng)硬盤(pán)里直接運(yùn)往美國(guó)波士頓和德國(guó)波恩的數(shù)據(jù)處理中心，并由麻省理工學(xué)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(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出全新的算法，加速數(shù)據(jù)分析。

 

　　為此，這個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目邀請(qǐng)了數(shù)據(jù)科學(xué)家參與，共同完成這項(xiàng)“洗照片”的任務(wù)。其中一位名叫凱蒂·伯曼（KatieBouman）的麻省理工學(xué)院女博士生所做的工作，對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的貢獻(xiàn)引人注目。

 

　　EHT科學(xué)委員會(huì)主席、來(lái)自荷蘭拉德堡德大學(xué)的海諾·法爾克（HeinoFalcke）在布魯塞爾的發(fā)布會(huì)上表示：“一箱一箱承載著黑洞照片的數(shù)據(jù)硬盤(pán)被送到美國(guó)麻省理工和波恩的馬普所，處理這些數(shù)據(jù)需要大量的工作。”

 

　　伯曼提出了CHIRP的算法，通過(guò)干涉重建黑洞。她發(fā)明的算法最重要的貢獻(xiàn)在于，利用多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的結(jié)果做互相關(guān)聯(lián)從而抵消不同大氣環(huán)境所導(dǎo)致的測(cè)量時(shí)間差，也就是所謂的“噪聲”。

 

　　馬普所博士后張淵皞對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者解釋說(shuō)：“來(lái)自黑洞方向的無(wú)線電信號(hào)是相關(guān)的，但每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡所在位置產(chǎn)生的誤差又是獨(dú)立而不相關(guān)的，如果用多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡相乘的結(jié)果讓噪聲抵消，那么時(shí)間差就能被修正，并最終抵消時(shí)間差的‘噪聲’。”

 

　　長(zhǎng)達(dá)20年的等待

 

　　此次科學(xué)家選中的黑洞拍照對(duì)象是M87中心的黑洞，這個(gè)黑洞也被公認(rèn)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(wàn)倍；質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍，甚至大過(guò)整個(gè)太陽(yáng)系，科學(xué)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(duì)此，法爾克教授在布魯塞爾的發(fā)布會(huì)上解釋稱：“人馬座A*黑洞就像一個(gè)調(diào)皮的嬰兒，動(dòng)得太快，不利于圖像的捕捉。我們意識(shí)到這一點(diǎn)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(xiàng)目的發(fā)起人，為這一天等待了20年。20年前，他在做研究時(shí)就發(fā)現(xiàn)，在黑洞周圍可能會(huì)產(chǎn)生某種射電波，從地球上的望遠(yuǎn)鏡可以發(fā)現(xiàn)這種強(qiáng)波。

 

　　為了證明自己的判斷，法爾克說(shuō)服了歐洲研究理事會(huì)（EuropeanResearchCouncil），申請(qǐng)到經(jīng)費(fèi)來(lái)資助這一項(xiàng)目，后來(lái)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和東亞資助機(jī)構(gòu)也加入其中，總資助金額超過(guò)4650萬(wàn)歐元（約合3.52億元人民幣）。

 

　　“這是一個(gè)漫長(zhǎng)的旅程，但最終我親眼看到了。”法爾克說(shuō)。

 

　　他們動(dòng)用了全球8個(gè)臺(tái)站的毫米波望遠(yuǎn)鏡組成干涉陣列，打造了一個(gè)超級(jí)巨無(wú)霸“相機(jī)”——虛擬的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。這些望遠(yuǎn)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(dòng)人心的探索，中國(guó)科學(xué)院天文大科學(xué)研究中心（CAMS）也加入了陣營(yíng)——CAMS由中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)和上海天文臺(tái)共同建立，是EHT的三大合作機(jī)構(gòu)之一。

 

　　中科大物理學(xué)院天文學(xué)系教授袁業(yè)飛對(duì)第一財(cái)經(jīng)表示：“中國(guó)科學(xué)家采用的是1.3毫米的射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，不僅在EHT的聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)上面有貢獻(xiàn)，而且在數(shù)據(jù)分析上也有關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)；更重要的是很多中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)也來(lái)自理論方面，包括怎么從理論方面解析觀測(cè)天文學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果。”

 

　　盡管此次發(fā)布的M87黑洞成像圖已非常接近完美地呈現(xiàn)出黑洞的樣子，不過(guò)對(duì)于一些追求極致的天文學(xué)家而言，它的模樣仍然不夠清晰。

 

　　“模糊是因?yàn)槭录暯缤h(yuǎn)鏡的分辨率還不夠好。”《星際穿越》科學(xué)顧問(wèn)、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(lái)更多望遠(yuǎn)鏡的加入，以及望遠(yuǎn)鏡本身性能的改善，未來(lái)科學(xué)家們會(huì)得到更加“高清”的圖片。