給黑洞拍照

蘇一橫

2016年，麻省理工學院一位年輕的女博士登上了著名的科技講壇——TED的演講臺，她演講的題目是“怎樣拍攝一張黑洞的照片”。3年后，全世界數十個科研機構的200多名科學家共同努力，終于拍攝出人類第一張黑洞照片，當年的這位女博士作為龐大科研團隊中的一員，在“沖洗”黑洞照片的過程中又發揮了極其重要的作用。2019年4月10日，隨著黑洞照片的正式發布，這位女博士在“臉書”上的照片刷爆了社交網絡，“走紅”全世界。這位被媒體譽為“黑洞背后的天才少女”的人，就是凱蒂·布曼。

事件視界

1915年，愛因斯坦在廣義相對論中最先預言了黑洞的存在。在愛因斯坦的理論中，黑洞是一種質量巨大、引力極強的天體，可以吸收周圍一切的外來物質，就連人類已知傳播速度最快的光都無法逃脫黑洞的吞噬。理論上，黑洞無法被觀察到，更別提給它拍攝照片了。然而，科學家認為，黑洞的陰影——“事件視界”卻是可以被觀察到的。

根據天文學的理論，既然黑洞將附近的物質和光吸向自己，那么黑洞周圍就會存在一個“邊界”——進入這個“邊界”的物質和光無法逃逸出來，而這個“邊界”就被稱為“事件視界”。在“事件視界”之外，宇宙中周圍彌散的物質也會被黑洞強大的引力所拉拽，形成一個熾熱的氣體吸積盤。這個氣體吸積盤時不時地發出不同頻率的光輻射，可以被天文望遠鏡觀察到。于是，黑洞在明亮的氣體吸積盤的襯托下留下了一個“暗影”，而“暗影”與氣體吸積盤之間的時空區域就是“事件視界”。

科學家通過觀察“事件視界”，就可以間接地描繪出黑洞的輪廓。所以，科學家觀察黑洞，其實是觀察“事件視界”的結構。

拍攝黑洞

M87星系（又稱室女座A星系）這次觀察到的黑洞是位于M87星系中心的巨大黑洞，距離地球5500萬光年，體積是太陽的680萬倍，質量約為太陽的64億倍。它的核心區域存在一個陰影，周圍環繞一個新月狀光環。

雖然體積如此巨大，M87黑洞仍然很難觀察。從地球上看，M87黑洞大概與月球上的一個橘子一樣大，由于衍射現象，我們能看到的最小物體是有限制的，想看到的東西越小，需要的望遠鏡就越大，如果想看到M87黑洞，我們需要的望遠鏡要和地球一樣大。

當然，建造一個和地球一樣大的望遠鏡是不可能的，但通過一種叫做“甚長基線干涉”的技術，科學家可以構建一個很大的“虛擬”望遠鏡。

“甚長基線干涉”是一種射電天文學測量方法，它允許用多個射電望遠鏡同時觀測一個天體，從而模擬一個大小相當于射電望遠鏡間最大間隔距離的巨型望遠鏡。如果想模擬出一個地球大小的望遠鏡，科學家需要使用“甚長基線干涉”技術，將位于美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極洲的8處獨立的大型射電望遠鏡連接起來，讓它們像一臺儀器一樣協同工作。這8個望遠鏡從南到北橫跨7000千米左右，兩者之間最遠距離超過1萬千米，組合到一起就成了一個“地球一樣大的望遠鏡”。通過這個虛擬望遠鏡拍攝黑洞，這就是凱蒂等科學家所參與的“事件視界”望遠鏡項目。

在麻省理工學院求學期間，凱蒂加入了海斯塔克天文臺。這座天文臺有美國最強大的超級計算機，負責對世界各地天文臺發送來的黑洞數據進行前期處理，是“事件視界”望遠鏡項目的數據處理中心——凱蒂“沖洗”黑洞照片所做的工作大部分是在這里完成的。從麻省理工學院畢業后，凱蒂在興趣的驅使下，又以博士后的身份加入哈佛大學的“‘事件視界’望遠鏡圖像處理”團隊，并一步步成為“事件視界”望遠鏡項目的核心成員。

2006年，“事件視界望遠鏡”啟動并記錄下了第一組天文數據。到了2017年，來自全世界數十個科研機構的200多名科學家正式開始勾勒M87黑洞的模樣。2019年4月10日，科學家正式發布的首張黑洞照片便是M87的照片。

“沖洗”照片

給黑洞拍照不容易，“沖洗”照片則更不容易。因為黑洞的照片并不是普通意義上的照片，它不是直接快門一按就拍攝出來，而是由精銳的計算機算法團隊“拼”出來的，而凱蒂就是黑洞成像算法團隊的領導者。

在拍攝黑洞照片時，世界各地的8處獨立的望遠鏡協同工作，由于黑洞細節小、信號暗、干擾太多，每一處望遠鏡都會產生海量的數據。據估計，在一次歷時5天的觀測任務中，8處望遠鏡收集的數據可以裝滿1萬至2萬個硬盤，重達半噸。這么多硬盤，都會用飛機運往海斯塔克天文臺。

面對這些數據，科學家有大量工作要做，比如，他們要從數據中濾除由大氣濕度等因素引起的噪音，也要對8處望遠鏡捕捉到的信號做精確同步處理。其中，最難的問題就是如何將“事件視界”望遠鏡的數據轉化成一幅合理的視覺圖像。如果將地球大小的望遠鏡想象成一顆巨大的迪斯科球，每一面鏡子都會收集光線，組合到一起就能得到一幅完整的黑洞圖像。但由于“事件視界”望遠鏡只接入了8處望遠鏡，這相當于將迪斯科球的大部分鏡子移走了，僅有的8面鏡子只能收集到完整圖像中的寥寥極少的部分，科學家必須通過縝密的算法填補空缺的部分，才有可能合成一張完整的黑洞照片——這就是凱蒂所承擔的任務。

然而，空缺的部分是不能隨意填充的，有很多事情需要考慮。比如，沒有人見過真實的黑洞，凱蒂在填充圖像時，不可避免要做些猜測，但她必須要考慮相對論以及其他天文學規律，否則所做出的圖像的質量會非常差;但另一方面，如果完全按照現有的物理定律來設計算法，那么得到的只會是科學家預想中的圖像，我們不能從這張圖像里看到新的東西。所以，凱蒂只能設計大量的算法，從中進行甄選和調試，然后找到最合理的算法，使合成出來的黑洞圖像能夠在物理定律和猜測之間達到一個平衡，同時又能使圖像可以與8處望遠鏡測量到的信息相符合。

幾年來，凱蒂進行了無數次精心設計的測試，旨在做出一張高質量的黑洞照片。2018年6月，她又一次將編寫的程序代碼付之運行，一枚帶有黑色陰影的橙色“魔戒”出現在計算機屏幕上——這就是2019年4月10日展現在世人面前的黑洞照片，它已經最大限度地反映了黑洞的真容。

下一步，凱蒂和“事件視界”項目會將鏡頭對準人馬座A*，同時也會有更多的天文臺加入進來，人馬座A*黑洞位于距離地球2.6萬光年的銀河系中心，它是已知離地球最近的超大質量黑洞，也是科學家的最佳觀測目標。屆時，人類向著探索黑洞奧秘又會更進一步。