黑洞的背後竟然是一位29歲女博士！

2020-10-18 桂子先導

桂子先導

黑洞的背後！？

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 黑洞的背後竟是位29歲女博士！

只有29歲？

2019年4月10號，人類的歷史新添了濃墨重彩的一筆。第一張黑洞照片首次公布於世。

不過，這張圖片並非普通意義上的黑洞照片，它不是直接快門一按就可以拍攝出來，而是需要分布在全球各地的許多天文望遠鏡在同一時間「按下快門」，記錄無線電數據。之後由一支精銳的算法團隊「拼」出來。而這支算法團隊的領導者就是來自美國麻省理工學院的年僅29歲的博士生凱蒂 布曼！

布曼參與這個項目已有6年了，當時她還是麻省理工的計算機科學和人工智慧專業的研究生，正在攻讀計算機視覺博士學位。她曾在麻省理工學院的計算機科學與人工智慧實驗室和海斯塔克天文臺，以及哈佛史密森天體物理中心工作了幾年。現在，凱蒂·布曼是加州理工學院的一名助理教授。

拍攝最近黑洞

需要地球直徑大小望遠鏡

研究人員稱，用地球上一個望遠鏡來看到一個黑洞圖像是不可能的。

凱蒂·布曼（Katie Bouman）說：「距離我們最近的黑洞是如此之小，等同於在地球上拍攝月球上一個柚子。要拍攝到這麼小物體的細節，你將需要一個地球大小的望遠鏡。」

布曼說，雖然地球的直徑不超過13000公裡，但這個望遠鏡將需要10000公裡的直徑才能拍攝出黑洞的圖像。

麻省理工學院稱，這個由麻省理工學院提出的解決方案是使用無線電信號，從世界各地「不同的位置」進行測量。六個天文臺目前已經同意參加這一計劃。

布曼說：「就像無線電頻率如何透過牆壁一樣，它們將穿過銀河系裡的灰塵。由於地球和銀河系中心之間存在太多的東西，我們將永遠無法利用可見光波長看到我們銀河系中心。」

她說，布曼算法（Bouman’s algorithm）旨在填充各個望遠鏡觀察所得數據之間的漏洞，從而基於所述數據繪製出一幅已知黑洞的圖像。

搞定200萬GB的硬碟

2017年6月，凱蒂的算法才終於可以開始實戰，她收到了一堆裝著黑洞觀測數據的硬碟：這些硬碟足有半噸，從世界各地用飛機運來。數量之大，甚至讓人聯想到1969年瑪格麗特·漢密爾頓為阿波羅11號登月而準備的一人高的代碼。這些硬碟中的數據，來自智利、夏威夷、南極洲、亞利桑那、西班牙、墨西哥六個地方的一共八臺天文望遠鏡。

天文望遠鏡獲取的數據量非常大，一晚上就能收集到2PB（約2000TB）。如此龐大的數據難以用網絡傳輸，必須裝到硬碟裡，空運到MIT。

而且，這半噸硬碟裡的數據不僅僅是黑洞，還包含天空中的各種複雜、凌亂的數據，凱蒂要靠這些數據，拼出一張完整的黑洞寫真。

本來，根據射電望遠鏡數據還原天體圖像需要人類天文學家參與。然而面對PB級稀疏、嘈雜的數據，想靠人力從中找出圖像太難了。於是，他們使用了機器學習方法。

雖然這支團隊已經花了好幾年的時間構建算法，在合成數據上實驗，但直到有了這些硬碟，他們才能真正知道他們的算法，是不是真的能捕捉到不可見的黑洞。

這項任務究竟難度如何？就好比一顆鵝卵石扔進池塘，你要通過石頭入水瞬間的漣漪，藉助算法還原石頭的模樣。

黑洞，就像是這顆已經沉入水底無法看見的鵝卵石。不同望遠鏡收到的兩股無線電波相遇，就起了漣漪，學名叫做「幹涉」。

而凱蒂提出的CHIRP算法，便是依靠幹涉來重建黑洞。

具體來說，從銀河中心傳來的無線電信號，到達兩臺望遠鏡的時間是不一樣的，幹涉也是這樣發生的。

所以說，重建黑洞照片，最重要的就是時間差。

可是，地球有厚重的大氣層保護著，無線電波穿過大氣層的時候，速度會變慢，時間的測定也就不夠準確了。

半噸硬碟的數據量處理起來，工程量還是太大了。

洗照片的過程中，一度有四個團隊同時工作，每個團隊負責分析一部分數據。

原本預計一年洗好的照片，花了兩年時間才讓世界看到。

除了耗時之外，小姐姐也說過，團隊就是一口大鍋，裡面有天文學家，物理學家，數學家，工程師……如果不是這樣，也不可能完成這個從前看來不可能的任務。

新方法有助於研究黑洞環境

布曼說，這種新的成像方法將非常有助於研究黑洞周圍的環境，並證明愛因斯坦的廣義相對論。她說，如果最終根據愛因斯坦的理論預計形成的圖像顯示出一個黑洞，這將是該理論即使在「極端的情況下」也能夠適用的「巨大證據」。

當環境條件最有利於望遠鏡可見度的時候，觀察將於明年春天開始。一旦所有的數據被收集完畢之後，布曼希望立即開始製作黑洞圖像，這個過程被她比作拼圖。

 「即使我們做出過一些預測和人類生產出一些星際電影之類的視頻，但我們從來沒有真正看到過黑洞是什麼樣子。現在居然能探測它並構建這些圖像，這一進步真是偉大的。」

桂公子說：

布曼並非天文學家，她的專業是電腦科學和電子工程。她先前在攻讀有關電腦視覺(computer vision)領域的博士學位時，因緣際會加入EHT這個項目，但她一開始對黑洞一無所知。憑著後來的努力與對看不見事物的興趣，她最終成為人類首張黑洞圖片的幕後功臣。

（整理自搜狐、微信、百度等網站）

桂子先導工作室出品

文案·劉文婷

排版·王雨欣

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@桂公子

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