事件視界望遠鏡+“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

原標題：事件視界望遠鏡+“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！

北京時間2019年4月10日晚9：00，注定將成為一個被歷史銘記的時間。在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發(fā)布會，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)于黑洞的知識呢各大媒體都有普及，小編就不詳細介紹了。（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鏡。畢竟離我們5300萬光年，不拿個放大鏡也看不清楚啊。（雖然這張圖有點高糊）這個“望遠鏡”是由全球多國科研人員合作的“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope, 簡稱EHT），但實際上它并不是一個望遠鏡，而是8個。8個望遠鏡怎么運作呢？看圖!

因為黑洞離地球?qū)嵲谔h了，我們?nèi)绻胍桓Q黑洞全貌必須得用一個直徑超級大的望遠鏡才能稍稍看清黑洞的樣子，比如和地球直徑一樣的望遠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鏡，所以人類的智慧在這時尤其重要?？茖W(xué)家們基于“甚長基線干涉技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）”理論，將世界各地的望遠鏡連接起來，構(gòu)建一個口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠鏡，每一個望遠鏡通過原子鐘準確相連，同時啟動，就可以還原數(shù)萬光年以外，一個未知天體在某一時刻的真實容貌。

 
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鏡，就有點像將地球想像成舞廳里的迪斯科旋轉(zhuǎn)球。每一面鏡子會搜集光線，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。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鏡的地方，測量數(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)有望遠鏡的地方搜集光線，地球旋轉(zhuǎn)時，我們可以獲得一些新的測量數(shù)據(jù)。換句話說，就像迪斯可球旋轉(zhuǎn)時，那些鏡子也會改變位置，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，同時也是圖像處理科學(xué)家。她在麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)時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鏡們采集到的數(shù)據(jù)，最終經(jīng)由四個團隊，使用三種不同的方式獨立分析后，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項目收集的數(shù)據(jù)量非常龐大，半噸半噸...的硬盤被運送到了MIT海斯塔克天文臺（Haystack Observatory），如何將EHT的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像？這給計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）。

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

 
通常，天文信號會在稍有不同的時間到達任何兩個望遠鏡?？紤]到這種差異對于從信號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，夸大到達時間的差異，并放棄干涉成像所依賴的計算。

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

 
即使過濾掉了大氣噪聲，從散布在全球各地的少數(shù)望遠鏡獲得的測量數(shù)據(jù)也相當稀疏；任何數(shù)量的可能圖像都可以同樣很好地擬合數(shù)據(jù)。因此，下一步是組裝一個既適合數(shù)據(jù)又滿足對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。

 
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光點的集合，并試圖找到亮度和位置與數(shù)據(jù)最匹配的點。然后，該算法將相鄰的亮點模糊在一起，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使用了一個比單個點稍微復(fù)雜一點的模型，但仍然可以在數(shù)學(xué)上進行處理。你可以把這個模型想象成一個橡膠板，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于臉部結(jié)構(gòu)的知識，將表現(xiàn)相貌圖片的特點拼湊出來，我開發(fā)的影像演算法使用有限的望遠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，同時也能計算‘光環(huán)’的大小。【1】”Bouman說。

 
誰說科學(xué)家只會說專業(yè)術(shù)語，這位科學(xué)家小姐姐講的理論就很通俗易懂，雖然只是個大概，但也能想象得到背后其實還是一個相當復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算。5天的時間拍出的照片用兩年的時間進行成像，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，小編還有個疑問。科學(xué)家們?nèi)绱速M心費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了黑洞的存在，同時也通過模擬觀測數(shù)據(jù)對愛因斯坦的廣義相對論做出了驗證。在視界面望遠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)，所觀測到的黑洞陰影和相對論所預(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M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個獨立的測量。在此之前，精確測量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。

受限于觀測分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細節(jié)，從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運動、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機制，完善我們對于星系演化的認知與理解。【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個黑洞問題》

來源：IPRdaily中文網(wǎng)（iprdaily.cn）

作者：影晞

編輯：IPRdaily王穎          校對：IPRdaily縱橫君

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