大數(shù)據(jù)文摘編輯部出品

在碳基生命歷史上，人類剛剛第一次直接“看到”了黑洞。

北京時間2019年4月10日21點整，在全球六地（比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓）同時召開新聞發(fā)布會上，國際組織事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）發(fā)布了人類首張黑洞照片。

至此，一直“活在傳說中”的黑洞終于露出了真容，也昭示著，人類對宇宙的認(rèn)知邊界又被向前推進(jìn)了一大步。

再來靜止、近距離一起看看這張珍貴的照片??

這可能是全世界最難拍的一張照片了。

為了完成這張?zhí)貙懀茖W(xué)家們調(diào)動了全球從兩極到赤道共8個天文臺的力量進(jìn)行圖片數(shù)據(jù)拍攝，之后，又有來自全球的62家科研機構(gòu)共同參與了照片的合成。整個項目耗時近三年，可以說是傾“全人類之力”完成的一件壯舉。

其實不止三年，人類追尋黑洞的秘密其實早已有之。所以聽到“第一張黑洞照片”，一定有不少讀者訝異“我好像早就看過黑洞的照片了?！?/span>

的確，在電影和記錄片中，我們似乎經(jīng)常可以看到黑洞的圖片，但這些圖片多是根據(jù)一些數(shù)據(jù)“腦補”出來的。換句話說，是人類想象中黑洞的樣子。而對于真正的黑洞，人類始終沒有成功獲取過它真實的樣子。

為什么黑洞這么難拍？

為什么給黑洞拍照這么難呢？

我們可以用一個公式來解釋——衍射現(xiàn)象公式。簡單來說，我們能看到的最小物體是有限的，你想看到的物體越小，所需的望遠(yuǎn)鏡就需要越大。

如果你對天文稍有了解，就應(yīng)該知道黑洞質(zhì)量非常之大，而且距離地球也非常遙遠(yuǎn)。就拿這次拍攝的黑洞來說吧，第一個觀測對象位于人馬座方位（因此目標(biāo)也被命名為Sgr A*），距離地球2.6萬光年，相當(dāng)于24.6億億千米。

另一個觀測對象M87，M87 中心黑洞的質(zhì)量達(dá)到了60億個太陽質(zhì)量，盡管與地球的距離要比Sgr A*與地球之間的距離更遠(yuǎn)，但因質(zhì)量龐大，所以它的視界面對我們而言，可能比Sgr A*的小不了太多。但是總的來說，觀測黑洞的難度，就像讓站在地球上的你尋找月球上的一枚硬幣一樣。

目前，我們?nèi)祟愖顝姶蟮墓鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡能夠拍攝到最清晰的月球表面，其畫面為1.3萬像素，而每個像素里能容納150萬個硬幣。

所以拍攝黑洞大小的望遠(yuǎn)鏡，估計需要地球大小的巨無霸光學(xué)望遠(yuǎn)鏡才可以實現(xiàn)。而造這樣一個望遠(yuǎn)鏡，在人類目前的技術(shù)水平下，幾乎是不可能的。

望遠(yuǎn)鏡不夠，算法來湊

在探尋黑洞的路上，有這樣一個被稱作“視界線望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope）的團(tuán)隊不肯罷休，并且提出了一個有點瘋狂的想法：如果把世界上所有的望遠(yuǎn)鏡連接起來，在電腦上模擬一個地球大小的望遠(yuǎn)鏡，收集這些數(shù)據(jù)，再通過合理的算法分析，也許就能描繪黑洞的模樣。

這個想法相當(dāng)瘋狂，以至于當(dāng)時不少人認(rèn)為視界線望遠(yuǎn)鏡”（Event Horizon Telescope）這一個項目的成立有點不可理喻，一些天文學(xué)家也對這個項目嗤之以鼻。

但EHT還是在一片質(zhì)疑聲中把這個項目進(jìn)行了下去。

在2017年的一次TED X MIT的演講中，項目的主要參與人之一、來自麻省理工的博士生凱蒂·伯曼向全世界講述了這個項目是如何進(jìn)行下去的。

點擊查看這場兩年前的TED演講。

可能大家都看過流浪地球，那遍布地球大大小小的推進(jìn)器成了推進(jìn)地球前進(jìn)的動力。

流浪地球影片中令人震撼的推進(jìn)器

而想要成功拍攝黑洞，人類大概需要用同樣密集分布的望遠(yuǎn)鏡把地球裝扮成這樣??

但實際上我們根本不可能獲取到如此多高質(zhì)量觀測點，只能在地球上找?guī)讉€點，布置上望遠(yuǎn)鏡??

左邊這黑球上的幾個亮點就是我們現(xiàn)在布局在地球上的8個射電望遠(yuǎn)鏡。通過他們收集到的圖像可以平鋪結(jié)合成右邊的圖。

雖然只有這可憐的幾處，但隨著地球的自轉(zhuǎn)，望遠(yuǎn)鏡的位置改變， 我們就可以得到圖片的各個部分。但所得到的樣本仍然不足，需要通過開發(fā)生成圖片的算法將空白的地方填滿， 從而模擬出隱藏的黑洞圖片。

5天拍照，兩年P(guān)圖

要保證所有8個望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個黑洞，從而達(dá)到最高的靈敏度和最大的空間分辨率，符合的時間段每年只有10天。具體對于2017年來說，是在4月5日—14日之間；而此次觀測是4月5日—10日之間的5個晚上。在每一個觀測中心，科學(xué)家們將利用提前校對好的原子鐘時間，對每一個電磁波到達(dá)的時間進(jìn)行分別標(biāo)定和存盤，等到觀測結(jié)束之后再匯總比較。

因此，在拍攝黑洞過程中一項重要的任務(wù)就是：開發(fā)一種既可以找到合理圖像，又能使圖像符合望遠(yuǎn)鏡所測量到的信息的算法。

那么難點來了，按照什么樣算法得出的圖像才最合理呢？

從拍攝完成，到最終的發(fā)布，科學(xué)家們用漫長的兩年才找到這一最合理的算法，并最終完整所有圖片數(shù)據(jù)的分析、整合。

判斷一張照片是否屬于某個群組不是件難事，但問題是，如果判斷的主角是黑洞，這個只存在于人類想象中的概念，算法如何判斷哪張圖更像黑洞呢？

當(dāng)然，根據(jù)過往研究和相關(guān)公式，我們通過模擬實驗得出過很多黑洞的”腦補圖“，例如《星際穿越》中那張令人印象深刻的黑洞照片。但是，每一位謹(jǐn)慎的科學(xué)家們都必須考慮，如果我們在算法中摻入太多先驗知識，算法就有了偏見，那么結(jié)果就會和我們預(yù)期的相似。

萬一愛因斯坦的廣義相對論是錯了呢？

也就是說，我們不能遺漏“宇宙中心不是一個‘洞’，而是一頭大象的可能”。

簡單來說，如果給不同國家的畫師一個高鼻梁、白頭發(fā)老爺爺?shù)男畔ⅲ麄內(nèi)绻軌驋伒粑幕尘?，畫出差不多的愛因斯坦畫像，才能說這個算法是可靠的！

通過提取現(xiàn)有圖片的碎片特征，科學(xué)家可以將不同圖片的特征賦予算法。EHT的研究人員也正是用這種方式，將大量圖像分解成無數(shù)的小拼圖碎片，用其中常見的拼圖碎片來組合成一張符合望遠(yuǎn)鏡所測量數(shù)據(jù)的完整圖片，這時候，我們對黑洞的描繪也就更接近真實了！

人類對宇宙的認(rèn)知歷史正在被AI改寫

因為每天的數(shù)據(jù)量都高達(dá)PB(1PB=1024TB=1000000 +GB)量級，除了從各地運輸匯總數(shù)據(jù)以外，最終的分析和計算，也耗費了大量的時間。根據(jù)相關(guān)報道，在數(shù)據(jù)的處理中，也用到了主成分分析等相關(guān)技術(shù)。

當(dāng)數(shù)據(jù)形成海洋的時候，人工處理只能是大海撈針，但交給AI，也許就是小菜一碟。無論是德克薩斯大學(xué)的學(xué)生Anne Dattilo用AI算法發(fā)現(xiàn)系外行星，還是斯坦福大學(xué)研究小組利用機器學(xué)習(xí)來研究強引力透鏡的圖像，這都意味著處理大數(shù)據(jù)的AI技術(shù)正在變革天文領(lǐng)域，甚至整個人類的認(rèn)知邊際。

文摘菌相信，如果沒有機器學(xué)習(xí)等相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，這人類史上第一張照片可能要推遲個幾十年面世了。

本次參與對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析合成的機構(gòu)超過60個，其中來自中國的8個機構(gòu)參與其中：中國科學(xué)院天文大科學(xué)研究中心、中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理重點實驗室、中國科學(xué)院星系宇宙學(xué)重點實驗室、中國科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點實驗室、中科院射電天文重點實驗室、中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院、中國科學(xué)院上海天文臺、中國科學(xué)院云南天文臺。

圖片來自nature.com

為什么要給黑洞拍照？

拋開國籍的枷鎖，把問題上升到宇宙，其實這件事情的意義就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越其本身，正如美國太空人阿姆斯特朗登陸月球后的第一句話：我的一小步，是人類的一大步。這次對拍攝黑洞的跨國行動，也邁出了人類太空探索的一大步。

另一方面，從觀測角度來看，這是基線最長、規(guī)模最大的一次關(guān)于黑洞的射電成像；從科學(xué)的角度，這也是第一次高分辨率的觀測黑洞邊界，也是一次激動人心的觀測驗證理論的大事件，重要性不亞于引力波被發(fā)現(xiàn)。

更進(jìn)一步來看，除了黑洞照片本身，這種新的觀測宇宙的方式似乎更為重要，地球上的射電陣列可以拍到銀河中心，那么如果我們把望遠(yuǎn)鏡放到更遠(yuǎn)的地方，太空軌道上，是否有機會觀測到更遠(yuǎn)的深空。

此外，這套專門設(shè)計的圖像處理算法本身也是有很大價值。被驗證后，這套算法很快可以投入到太空探索領(lǐng)域，甚至可以在其他領(lǐng)域大展神威，畢竟這套算法的本質(zhì)是把低分辨率的圖像轉(zhuǎn)換成更高的分辨率。而且這次觀測的數(shù)據(jù)也非常重要，畢竟，事件視界望遠(yuǎn)鏡每一個晚上所產(chǎn)生數(shù)據(jù)量可達(dá)2PB(1PB=1024TB=1000000+ GB)，有了這些數(shù)據(jù)天文學(xué)家可以分析出來黑洞的周圍有什么，這些東西以什么樣的狀態(tài)存在......

總的來說，這次觀測是實驗科學(xué)，是實踐行為，這也正是科學(xué)中最嚴(yán)肅的要素。天文學(xué)家們通過這次觀測結(jié)果，或許能借此檢驗愛因斯坦的引力理論，并對廣義相對論做出嚴(yán)格的限制。與此同時，黑洞圖像將幫助我們回答星系中的壯觀噴流是如何產(chǎn)生并影響星系演化的。

從18世紀(jì)末約翰·米歇爾提出“暗星”概念，到法國科學(xué)家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯在著作《世界系統(tǒng)》中提出的光都無法逃逸的天體，愛因斯坦場方程的推理結(jié)果，再到美國物理學(xué)家羅伯特·奧本海默發(fā)表了第一篇關(guān)于黑洞的學(xué)術(shù)論文。人類對這一“看不見”的物體一直充滿了好奇，探索之路已經(jīng)跨越了國別，不分種族。

就像《三體》里說的，“我們都是陰溝里的蟲子，但總還是得有人仰望星空?！币舱蛉祟愌鐾强盏呐奈赐Ｖ梗裉斓奈覀?，才能夠站在無數(shù)巨人的肩膀上，看到了當(dāng)初他們奮力想看卻無法企及的景象，作為銀河系渺小的碳基生物，這是何其幸運又美妙的事情。