從拍照到“沖洗照片”讓黑洞“現真容”，沒那么容易

老喬

在過去，人們用膠卷拍攝照片，拍完后，人們需要對膠卷進行比較繁瑣的沖洗處理，然后才能把膠卷上記錄的圖像和顏色顯示成照片。可是要得到黑洞的照片，比沖印膠卷照片難多了。

北京時間2019年4月10日21點整，天文學家們公布了人類首次拍攝到的黑洞照片。其實，這張黑洞照片的拍攝時間為2017年4月5-11日，卻直到近期，科學家們才正式得到這張照片并公之于眾。換句話說，“沖洗”這張照片花了2年時間，可以想象這其中的艱難。給黑洞拍照，可能嗎？

此次公布的照片中的黑洞，位于室女座星系團中一個巨橢圓星系M87的中心。接下來，我們將從研究這個黑洞來反推給黑洞拍照的理論依據。

M87星系位于銀河系外，是室女座星系團的成員，它是天空中最明亮的星系之一。1918年，美國天文學家希伯·柯蒂斯首次觀測到了這個星系有一束奇怪的由物質組成的線，稱為“物質噴流”，它與星系中心相連，延伸達5000光年。合理的科學猜想是，M87中心有一個超大質量的黑洞，它強大的引力聚集了周圍的星際氣體與塵埃，它們運動的離心力慢慢與黑洞的引力相平衡，形成繞著黑洞旋轉的吸積盤（一種由彌散物質組成的、圍繞中心體轉動的結構）。吸積盤的磁場被旋轉的黑洞所扭曲，當磁力線被纏緊時，一些物質被以極高的速度拋出，形成噴流。這些被噴射出的高能粒子也可能到達地球，成為高能宇宙射線的一部分。另一方面，轉動的氣體也會不斷釋放能量，被加熱后向外產生輻射，以電磁波的形式釋放出來。

在黑洞周圍一個范圍內，包括光在內的任何物質都無法逃脫黑洞的引力，任何信息也無法從黑洞中釋放出來，這個范圍稱為“事件視界”。吸積盤距離黑洞約幾百到幾萬倍事件視界。因此，黑洞本身因為吸收所有物質導致無法探測，但是可以通過吸積盤和噴射的電磁輻射信號來捕捉它。而科學家所期待的黑洞照片的特征，即為有電磁輻射的吸積盤圍繞著跨過事件視界的黑洞的區域。

給黑洞拍照，得選什么“相機”？

根據理論，吸積盤中的氣體輻射強度最高的電磁波波長為1毫米，可對應無線電波的波長，需要使用射電望遠鏡來觀測。

天文學中常用角直徑來描述遠處天體的直徑。假設在10米遠處觀察一個直徑為9厘米的物體，那么角直徑為0.5。，恰好近似等于在地球上看滿月時月球的角直徑。按照這個計算可知，就算天體非常巨大，但是與地球距離太遠的話，角直徑會非常小。而黑洞的視界半徑為3 300萬千米，因此角直徑約為5.5×10-5角秒，這相當于要用鏡頭記錄下20千米處的一粒直徑為2.5微米的灰塵！

此外，天文學中的角分辨率定義為，當望遠鏡恰好能夠分辨出遠處2個光源時，2個光源到望遠鏡之間的最小夾角。而要測黑洞的望遠鏡所瞄準的電磁波波長為1.3毫米，角分辨率必須小于角直徑才能觀測到黑洞的結構，因此可以推算出所需的望遠鏡透鏡直徑要達到約1萬千米，這相當于地球的直徑。做出直徑和地球一樣大的望遠鏡，現實中是不可能的。目前全球最大的射電望遠鏡，位于貴州的“FAST”，直徑才500米。

早在1962年，英國天文學家馬丁·賴爾就提出了天文干涉儀的想法，即使用分處兩地的2架射電望遠鏡接收同一天體發出的無線電波，這樣得到的觀測分辨率等效于用一臺直徑為兩地之間距離的望遠鏡觀測所得。這次給黑洞拍照所使用的“事件視界望遠鏡”（ Event HorizonTelescope，簡稱EHT）則是利用分布在世界各地天文臺的望遠鏡，通過原子鐘與全球定位系統（ GPS）校準時間來進行協同觀測，形成一組望遠鏡網絡或陣列系統。同時，地球的自轉運動，又給位于不同地點的望遠鏡帶來了不同的拍攝角度。這樣，把這些來自不同天文臺的望遠鏡拍攝的信息進行處理后，相當于在用一臺直徑為地球大小的望遠鏡來拍攝照片。

花了2年時間，才讓黑洞“現真容”！

看到這里，想必同學們也能想到了，原來，“相機”（即“事件視界望遠鏡”）最初記錄的黑洞并不是圖片信息，而是一些無線電波信號。而要想最終見到黑洞的“真容”，要將望遠鏡接收到的無線電波信號進行分析和處理，轉換成黑洞的圖像，而這依然是個極大的挑戰。因為，在這次拍照過程中，實際能用到的地理位置合適、波段探測靈敏度也合適的“相機”，全球才有8個，這相當于在一張地球大小的圖片上，只畫了稀疏的幾個點，然后要把它們整合成一張完整的圖像。另外，宇宙空間并不是空蕩蕩的，而是布滿了各種其他的天體，這又引入了海量的背景噪音，使人們要從將近5PB（拍字節，相當于500萬套大英百科全書的容量）的數據中挖掘出黑洞的圖像。

因此，科研團隊需要動用多方面先進的技術來應對挑戰，并最終用2年的時間才獲得了現在同學們看到的照片。

信號處理

發明無線網絡技術的澳大利亞科學家約翰·奧沙利文曾經在天文臺工作，致力于搜索迷你黑洞的信號。然而，因為微弱的黑洞信號湮沒在背景噪音里，他的努力最后沒有成功，而他研發的無線電天文圖像增強技術卻正好運用在了無線網絡上。其中的一項核心技術是對信號進行一種叫“快速傅里葉變換”的數學處理方法（主要利用周期性函數疊加，把信號進行重新編制，把原來以時間為函數的信號變換為以頻率為函數的信號）。通過將時間函數信號轉換為頻率函數信號，能夠把信號里不同的組分區分出來，只挑選研究人員感興趣的信號。比如，一個由5個不同周期的正弦函數疊加而成的信號，如果我們只對其中周期為50赫茲的信號感興趣，但又不了解其他的信號（視為背景噪音），單從時間函數信號圖中很難將它挑出來。而經過快速傅里葉變換后，我們可以很清晰地區分不同頻率，把背景噪音逐一消除，將所要的信號分離出來。

黑洞模擬

在獲取比較干凈的信號后，人們要將信號還原成一張照片，如前文所述，還原照片還得面臨數據點太稀疏的問題。另外，在處理數據時也需要非常謹慎，回避因為主觀判斷而對數據進行“不客觀”的處理。

為了獲得黑洞的圖像，人們可以將接收到的電磁波信號，在進行各種處理后，與模擬圖像進行比較，計算相符合程度的概率，從而挑出在進行不同分析處理后，最符合黑洞的照片。

在模擬黑洞時，人們用到了光線追蹤技術。當光源發出的光線照射到物體上時，光會被反射、折射、透射或者吸收，然后再進入我們的眼睛，形成物體的圖像。如果知道光源的位置、物體的形狀，通過運用幾何和物理知識，我們可以計算出光線的路徑。對于黑洞，由于它有強大的引力作用，還需要引入廣義相對論等復雜的理論計算?？茖W家們開發了黑洞的光線追蹤計算機程序，可以根據觀測到的頻率信號產生計算機模擬的黑洞三維圖像。因此，這項技術可以幫助人們預估黑洞的照片應該是怎樣的;相反地，也可以將模擬圖像與實際得到的圖像比較，來檢驗理論，或 者獲取黑洞的參數。例如，電影《星際穿越》！中科學家模擬的黑洞。

數據處理

為了更有效、更合理地處理數據，EHT團隊的凱蒂-伯曼博士等人采用機器學習的算法，他們在模擬黑洞圖像的基礎上，輸入大量不同的圖片，包括不同星系的圖像、其他天體的圖像，甚至是人們日常的笑臉來訓練算法，使算法生成的圖像，即黑洞圖片的像素點能很好地符合數據點，并檢驗結果是否合理。一些復雜的物理機制對圖片的影響，比如星際物質對電磁波的散射，也納入了測試與檢驗中。

本文簡要介紹了拍攝黑洞照片所涉及的若干技術，但這些對于整個研究來說只是滄海一粟。我們可以看到，黑洞照片的拍攝不單有天文學家和物理學家參與，還涉及電子信息學、統計學、計算機和人工智能領域的發展和貢獻。這也要求研究人員在精通本身研究領域的同時，還需要有較寬的視野和協同合作的能力。（責任編輯：司明婧 責任校對：曹偉）