△ EHT拍到的M87中心黑洞照片 圖 | EHT
一張黑洞的照片，讓全世界整整興奮了四天。我們從未這樣直接地瞥到死神的眼睛，直到她出現了。和我們身邊那些懷揣夢想的年輕人一樣，她年輕，樂觀，迷人，充滿幻想，為了一件看起來不可能的事堅持不懈。這個故事告訴我們，儘管生活中有很多挫折和沮喪，世界也變得越來越封閉，但科學始終是一件很燃的事情，它讓不同國家、不同文化的人能夠跨越壁壘，通力合作，振奮全人類的精神。
撰文 | 崔一凡 林秋銘
編輯 | 金赫
秘密
她被祝福包圍了。「我來自印度」「我來自英國」……在她的Facebook上，人們說得最多的是「恭喜」和「感謝」。一個中國人衝她喊：Well done！在全世界的社交媒體上，她的那張黑洞照片都引發了興奮的狂潮，在不同的地方造成了不同的影響。在中國，視覺中國因為版權問題被「停業整頓」。在美國，又開始爭論性別平權。
一夜之間，大家開始對這個女生感到好奇。
從26歲起，凱蒂·伯曼就藏著一個秘密。那時她還在麻省理工學院攻讀博士學位，主要研究領域是電氣工程和計算機成像技術。關於這個女孩，人們所知甚少。Facebook並不是她的常用工具，她只在20歲生日和去年結婚時發過兩條動態，中間是大段的空白。看看她的點讚記錄，只會了解到她的工作與學術有關。她關注過一個攝影博主，唯一點讚過的電影是《星球大戰》。
父親查爾斯·伯曼是普渡大學的工程系教授。凱蒂從十幾歲起，就申請加入普渡大學科研項目，跟著老伯曼研究計算機成像技術。這段經歷讓她對工程學產生了興趣。她的科學老師經常誇她，說她筆記做得認真。
老伯曼原本以為，女兒的人生會像他一樣平緩順遂：畢業後，在大學裡做個勤懇的教書匠，沉浸在科學與工程學的世界裡，度過一段默默無聞卻美妙的人生。但自從凱蒂三年前加入一項宇宙拍攝計劃，她的人生出現了轉折。
那時她總是泡在一間逼仄的工作室裡，和同事們一起，每人面對一臺電腦。沒有實驗設備，更沒什麼工程器械。凱蒂也很少談論工作，父親對她的秘密一無所知。
2019年4月8號晚上，凱蒂回到美國印第安納州的家中，看起來難掩興奮。
「什麼事這麼好笑？」 父親問。
「有張照片，很有趣。」凱蒂蹦出一句。
雖然不知道發生了什麼，但老伯曼確信，女兒一定遇上了什麼好事。第二天，凱蒂在她一年未動的Facebook上發布了一條新動態。是一張照片，她坐在那間狹小的辦公室裡，手指交握，捂著嘴，笑得很開心。
△ 第一次看到黑洞照片的凱蒂 圖 | 凱蒂的facebook
她面前的電腦屏幕裡，顯示出一張並不清晰的圖片。它像一枚放在黑色幕布上造型並不勻稱的戒指，泛著橙黃色光芒。桌面背景是一行行細密的代碼。
她說：「看著我製作的第一張黑洞圖像重構出來，真是不可思議。」
黑洞？宇宙中的那個黑洞嗎？它不是看不見的嗎？人們湧入社交網絡圍觀這個年輕女孩兒，老伯曼也陸續接到了當地報紙記者的採訪邀請，請他談談自己的女兒。伊萬卡·川普在推特上轉發了這個消息，誇讚凱蒂實現的「難以置信的成就」。
與此同時，在華盛頓、布魯塞爾、靈比、東京，中國的上海和臺北，各地天文臺召開發布會，向大家展示凱蒂電腦上的那張照片。全世界都看到了這枚模糊的「戒指」。這個信息已經被媒體反覆地報導：照片拍攝的，是室女A星系（M87星系）中心的超大質量黑洞，距離地球5500萬光年。美國國家科學基金會表示，被拍攝黑洞的質量是太陽的65億倍，並「徹底扭曲了時空結構」。
△ 當地時間2019年4月10日，比利時布魯塞爾，科學家召開新聞發布會，公布人類史上首張黑洞照片。 圖 | 東方IC
一直以來，人類對黑洞的秘密都保持著旺盛的好奇心。1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，拋給世人一個引力場公式。他預言宇宙中存在著一個黑暗的物體，光子無從逃逸，物質則失去信息。
1967年，約翰·阿奇博爾德·惠勒在一次學術會議上提出「黑洞」概念，在他的自傳中，他寫道：「黑洞教育我們空間可以像紙一樣被揉捏成一個無窮小的點，小到時間會像火焰一樣被熄滅，而我們之前所以為的『神聖』不可變的物理法則也再不是那樣了。」
無數文學和電影作品都窮盡想像試圖塑造它。但面對這樣一個巨大、沉默，且打破長久以來人類世界觀的存在，我們無法奢求更多。為了觀測到它，這項拍攝計劃從籌備到實現經歷了十幾年。來自中國的物理學家吳慶文也參與了進來，與他一同工作的中國科學家共有16名。選中M87星系中心的這個黑洞，是因為它更容易觀測。
「我們叫天空上的投影，它的面積最大。」吳慶文說。
他與凱蒂有過短暫接觸，知道那是個很年輕的女孩兒。人類夢想著與浩渺的宇宙產生關聯，凱蒂更是如此。雖然這是一份足以載入科學史的工作，但出於保密考慮，拍攝黑洞的計劃，她從未透露隻言片語。
不可能完成的任務
西拉斐特是美國印第安納州的一座小鎮，因普渡大學在此建校而形成。小鎮人口不足三萬，尚不及普渡大學學生人數。正因此，這裡的學術氛圍濃厚，凱蒂在西拉斐特度過了少年時光，高中的最後一年，她從教授口中了解到「事件視界望遠鏡計劃」。這項計劃聚集了全世界二百多名頂尖科學家，旨在讓人類親眼看到黑洞。
這個不經意間聊到的話題一直埋在她心裡。或許得益於家庭教育，凱蒂的學術生涯一路順遂。高中畢業後，她考入密西根大學安娜堡分校學習電氣工程，因為成績優異，獲得美國國家科學基金會獎學金，以最高榮譽身份畢業，後赴麻省理工學院深造。
她一直沒忘記那項激動人心的計劃——「看見黑洞」。
在後來的採訪中，她多次提到自己的科研理想，「找出測量或呈現人類還看不到的東西的方法」。愛因斯坦把黑洞形容為「巨大的不發光的物體」，這個物體存在於千萬光年外，遍布整個宇宙，卻從未在人類面前露出真容。
2015年，美國雷射幹涉引力波天文臺第一次直接探測到雙黑洞併合產生的引力波，人類「聽」到了黑洞的「聲音」。但這還遠遠不夠，作為計算機成像工程學家，凱蒂想親眼看看黑洞。
儘管毫無天文學和物理學背景，但這並不妨礙她了解宇宙的興趣。凱蒂把實習地點選在麻省理工學院的海斯塔克天文臺。在獲得了電氣工程及計算機成像科學碩士之後，她終於受邀加入事件視界地平線計劃，以初級研究員的身份參與黑洞拍攝。
在這之前，科學家們只能追蹤到光子消失的視界，而真正的黑洞依然是巨大的謎團。觀測5500萬光年外的黑洞，如同在地球上看月球上的一顆葡萄柚。而迄今功能最強大的光學望遠鏡，也不足以讓人類看清月球表面。如果有一臺天文望遠鏡能將黑洞「拍攝」下來，那這臺望遠鏡的直徑將達到10000千米。地球直徑不過13000千米。
事件視界望遠鏡團隊提供了一個完全不同的思路。既然無法建設一臺超級望遠鏡，那不如利用現有資源，把地球做成一臺「虛擬超級望遠鏡」。如果世界各地的天文望遠鏡在同一時間段對準目標黑洞，利用地球自轉和公轉，便能捕獲到黑洞的部分像素。
△ 視界望遠鏡由位於四大洲的8臺射電望遠鏡所組成，圖中的黃色線條為連接這些望遠鏡的「基線」，由此構成了一架和地球大小相當的望遠鏡。圖 | EHT
一項全球協作正式展開。團隊中的科學家來自世界各國，他們的專業領域包括天文學、數學、物理學、計算機科學和工程學。
「如果不是這樣，我們無法完成這個艱巨的任務。」凱蒂說。
吳慶文負責黑洞拍攝的理論分析工作，他要在拍攝前研究黑洞裡會發生什麼，光子在彎曲的時空中行走，這是一個複雜的物理計算過程。而在大洋另一端，凱蒂的任務是開發一種機器學習算法，從望遠鏡和天文臺收集到的海量數據中提取有效信息，並將這些瑣碎的「像素」縫合成合理圖像，最終還原成圖片。
她工作的地點是哈佛大學史密森天體物理中心，出於保密需求，凱蒂的團隊只能在一個不起眼的小房間裡工作。工作室的絕大部分被一張方桌佔據，幾臺電腦圍繞桌沿擠在一起，四周的黑板上布滿各種公式和坐標軸。後來凱蒂在Facebook上發布的照片，正是在這個房間裡拍的。
人們驚嘆於第一張黑洞照片誕生地的簡陋。但對凱蒂來說，這簡直是最容易解決的困難。試想一下，如何把一堆細碎、雜亂、不完整的拼圖還原成本來面目，且將它的解析度提高一個數量級？
這就是凱蒂即將面對的工作。
△ 凱蒂與同事的合照 圖 | 凱蒂的facebook
光年外的世界
2017年4月，墨西哥，普埃布拉州。
海拔4640米的賽拉涅哥拉火山是墨西哥的第五高峰，凱蒂帶領她的團隊來到這裡參與黑洞觀測和拍攝。山頂溫度很低，她穿著黑色外套，身後是直徑50米的白色射電望遠鏡，它的傳感器天線可以接收到130億年前的宇宙毫米波。
在這個需要給研究人員提供純氧的實驗室裡，凱蒂·伯曼目睹了對5500萬光年外M87星系黑洞的觀測。時間很緊張，由於參與項目的天文望遠鏡分布在世界各地，經緯度不同，天氣情況也不同，一年中能用來拍攝的時間不過10天。
參與拍攝的天文望遠鏡分布在墨西哥和夏威夷的火山，格陵蘭的冰封之地，智利阿塔卡瑪沙漠，西班牙內華達山脈，美國亞利桑那州和南極點，四大洲的八臺天文射電望遠鏡在同一時間對準同一個目標。
在中國，上海天文臺的研究員啟程前往JCMT望遠鏡觀測中心。這座天文望遠鏡位於夏威夷莫納克亞山山頂，由上海天文臺牽頭運營。像凱蒂一樣，他們也面臨著高海拔連續工作的挑戰，在呼吸都困難的情況下通宵校準信號。
由於天氣原因，最終的觀測時間被縮短至七天，但七天中獲取的數據足以讓二百多位科學家忙活兩年。吳慶文告訴我們，這些望遠鏡一天就能收集到2PB（約2000TB）數據，大約等同於歐洲高能加速器一年產生的數據量。
這些數據遠超網絡帶寬負荷，研究人員只能將它們壓縮到實體硬碟中，用飛機運輸。墨西哥之行兩個月後，半噸重的存儲數據從世界各地運到凱蒂的工作室，最後到來的是南極點望遠鏡數據——那裡的漫長極夜剛剛結束。
△ 科學家們連接了全球八個望遠鏡，來捕捉黑洞的圖像 圖 | European Southern Observatory
凱蒂把它們堆在桌子上，像卸掉了外殼的電腦主機。她張開雙臂，和這些來自銀河外的數據拍了張合照。
現在輪到凱蒂了。
她的算法依據物理學中的甚長基線幹涉技術重建黑洞形象，但地球外部厚重的大氣層會影響無線電波，對「幹涉」造成幹擾。凱蒂想到的辦法是：如果每一個測量值都由三臺望遠鏡數據相乘，那大氣層引起的誤差便可抵消。
這套算法名為CHIRP（連續高解析度圖像重建），結合從世界各地天文望遠鏡獲取到的數據及不同的理論假設、不同的算法進行比較。在盲測之後，若得到了相似的結構，就意味著這套算法取得了成功，拍攝到的黑洞也就是真正的黑洞。
「（這些）數據處理起來史無前例地困難。」吳慶文說。
工程浩大，全球二十多個國家、六十多個研究機構參與其中。正是在這個階段，凱蒂的算法發揮了決定性作用。她將算法發送至各國研究機構進行獨立分析。凱蒂和她的同事們被分成四組，在重置圖片結果出現之前，小組間不能相互交流。誤差是不允許存在的，只有各團隊最終結果一致，才能驗證凱蒂的算法是否有效。
2018年夏天的正午，凱蒂和三位同事聚集在那間哈佛大學的小工作室裡，他們在等待世界各地天文臺上傳數據。房間悶熱，他們目不轉睛盯著電腦屏幕。時間一分一秒過去，數據一波波傳進她的電腦。CHIRP程序開始運行。
「每個人都不敢相信。」凱蒂說，人類第一張黑洞照片就這樣出現在電腦屏幕上。
接下來的一年，他們進行了一系列測試，各小組間進行圖片對照，以保證所拍攝到的黑洞影像不是宇宙中的一個巧合。2019年4月初，各團隊圖像的比較結果最終確定，那個貌似戒指的東西，就是來自M87星系中心的黑洞照片。
那場同時在華盛頓、上海、臺北、布魯塞爾、靈比和東京召開的新聞發布會上，項目主任杜勒曼激動地說，「我們已經完成了上一代人認為不可能做到的事情。技術的突破、世界上最好的射電望遠鏡之間的合作、創新的算法匯聚到一起，打開了了解黑洞的全新窗口。」
在上海，包括吳慶文在內的中國科學家坐在前排參與了發布會，照片公布的瞬間，掌聲響起，持續了一分多鐘。這張黑洞照片通過媒體和社交網絡迅速傳遍世界，搜索量在推特上居首。在新浪微博上，不到一天時間圖片閱讀量就達七億。社交網絡上掀起P圖熱潮，不同的是，美國網友熱衷把它做成甜甜圈和披薩，中國網友覺得它更像蜂窩煤。
「這是我們了解黑洞的一個窗口，從這裡開始，我們驗證了我們的物理規律。」凱蒂說。
她終於實現了夢想，向父親「坦白」了隱藏三年的秘密。她拿到了加州理工大學的offer，即將成為一名助理教授，她的新課題是「設計能將算法和傳感器緊密結合在一起的系統」。
黑洞照片公布後的第三天，她的Facebook再次更新：第一次出現在人類面前的M87星系中心黑洞被命名為Powehi——一個夏威夷短語，意思是「帶來無盡創造力的瑰麗的黑色源泉」。
參考資料：
《Meet Katie Bouman, One WomanWho Helped Make the World's First Image of a Black Hole》
《Katie Bouman: The womanbehind the first black hole image》
Journal&courier:《Thatfirst-ever black hole picture? A West Lafayette grad played a big part》
《That image of a black holeyou saw everywhere? Thank this grad student for making it possible》
《Black hole picture capturedfor first time in space breakthrough》
《Earth Sees First Image Of ABlack Hole》
《Meet Katie Bouman, the womanwho transformed our view of black holes forever》
《Katie Bouman: 5 Fast FactsYou Need to Know》
《凱蒂·伯曼：怎樣拍攝一張黑洞的照片》
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