2019年4月10日21點整，天文學(xué)家召開全球新聞發(fā)布會，全球200多位科學(xué)家們用八個望遠鏡（陣）合力拍攝、并“沖洗”了兩年的神秘照片與公眾見面——人類首次直接拍攝到黑洞照片。
這顆黑洞位于代號為M87的星系當中，距離地球5300萬光年之遙，質(zhì)量相當于60億顆太陽。照片中它的核心區(qū)域存在一個陰影，周圍環(huán)繞一個新月狀光環(huán)。
什么是黑洞
科普一下，黑洞不是洞，是天體。作為最神秘的預(yù)言宇宙天體之一，黑洞質(zhì)量極大，密度極高，周圍會產(chǎn)生巨大的引力場，它附近所有物質(zhì)都難逃一吸，連宇宙中傳播速度最快的光，也無法逃出黑洞。
而黑洞周圍引力巨大的區(qū)域，就被稱為「事件視界」，只要跨過這個邊界，一切物理定律在此都會失效。
1915 年，愛因斯坦在廣義相對論中最先預(yù)言了「黑洞」，1968 年，美國天文學(xué)家惠勒正式提出黑洞「black hole」的名詞，雖然之后也出現(xiàn)過一些黑洞的間接影像可以證明它身處星河之中，但沒人見過黑洞的真正樣貌。
而就在昨天，我們成為了歷史上第一波見證黑洞的人。
黑洞照片怎么拍出來的
從洪荒時代起，人類就從未停止過對頭頂神秘星空的眺望。
為了捕獲第一張黑洞圖像，過去的十年多時間里，麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家們聯(lián)合了其他機構(gòu)的同行們，讓全球8個天文臺同時對銀河系中心的黑洞Sgr A* 和 M87星系中的黑洞 M87*展開亞毫米波段觀測，這些望遠鏡統(tǒng)稱為“事件視界望遠鏡” (Event Horizon Telescope，EHT)。
由于EHT此次觀測的波段在1.3毫米，容易受地球大氣的水汽影響，因此這些亞毫米波望遠鏡分布在高海拔地區(qū)，包括夏威夷和墨西哥的火山、亞利桑那州的山脈、西班牙的內(nèi)華達山脈、智利的阿塔卡馬沙漠以及南極點。
參與此次觀測的包括位于世界6個地點的8個臺站。其中由于位置的限制，位于南極的SPT望遠鏡無法觀測到M87*。所以參與觀測M87*的望遠鏡實際上是7臺。
給黑洞拍寫真的7位“攝影師”（南極望遠鏡無法測到M87*）
這里用到的觀測技術(shù)，就是「甚長基線干涉測量」（VLBI）。通過這種技術(shù)，能將多個望遠鏡結(jié)合成一臺孔徑更大的望遠鏡，讓距離不再成為限制。兩個射電望遠鏡和一個數(shù)據(jù)處理中心，就能共同觀測遙遠的類星體以及河外星系。
因為黑洞本身是看不見的，這里的拍出的圖像，其實是因為黑洞在「吃掉」身邊恒星時，氣體撕扯會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的吸積盤，加上部分吸積氣體也會沿轉(zhuǎn)動方向被拋出去形成噴流，這些氣體摩擦都產(chǎn)生了明亮的光線，再加上其他頻段的輻射，因此能捕捉到這些黑洞的發(fā)光現(xiàn)象。
當 8 個射電望遠鏡聯(lián)合啟動，VLBI 網(wǎng)將各射電望遠鏡接收到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號記錄在磁盤上，然后通過數(shù)據(jù)中心處理和分析，就能獲得觀測目標的射電精細結(jié)構(gòu)圖像，最高分辨率可為哈勃空間望遠鏡的數(shù)百倍。
Katie Bouman成為此次黑洞照片的關(guān)鍵
這不是咔嚓一下就能完成的攝影過程。上面提到，通過 VLBI，要將事件視界望遠鏡的所有觀測數(shù)據(jù)集合、整理。但黑洞拍照產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量太大，每天獲得的數(shù)據(jù)相當于歐洲核子研究中心一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。
而如何有效地處理這些數(shù)據(jù)，成為了頭大難的事情！
據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)報道，凱蒂·博曼（Katie Bouman）開發(fā)了一種關(guān)鍵算法，該算法在三年前幫助設(shè)計了成像方法。將這一新算法稱作 CHIRP，也就是「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。
該算法導(dǎo)致了M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞圖像。據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)報道，博曼與200多名科學(xué)家合作，花了三年的時間指導(dǎo)圖像的驗證和圖像參數(shù)的選擇，因為他們從一系列望遠鏡中獲取了“稀疏和嘈雜的數(shù)據(jù)”來制作圖像。
凱蒂·博曼（Katie Bouman）是誰？
美國總統(tǒng)特朗普女兒伊萬卡專門為她轉(zhuǎn)推，向幕后英雄，MIT的計算機科學(xué)家博曼致敬。那博曼到底是誰？
博曼，出生于1989年5月9日，是西印度群島印第安納州土著人。
博曼的大學(xué)教育始于密歇根大學(xué)，2011年獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。之后2013年獲得麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)碩士學(xué)位。拿到碩士學(xué)位以后，她繼續(xù)留在麻省理工學(xué)院攻讀博士學(xué)位，并于2017年獲得博士學(xué)位。
而作為科研世家，他的父親是普渡大學(xué)的工程學(xué)教授。
他父親說：“她在高中的課堂上總是有條不紊的，實驗室筆記做得非常詳細，以致于我都迫不及待地想要展示給我的學(xué)生看”。
博曼優(yōu)秀的學(xué)習(xí)習(xí)慣使她不斷的進步與成長。
2016年11月，她做過一個TED演講《怎樣拍攝一張黑洞的照片》，簡單明了地講解了黑洞的照片是如何產(chǎn)生的，而在那時，她僅僅是麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)的研究生：
博曼構(gòu)建了一個龐大的人造天文圖像數(shù)據(jù)庫，其包含這些圖片在不同望遠鏡中可能生成的測量結(jié)果，并考慮了大氣層噪音的隨機變化、望遠鏡內(nèi)部的熱力學(xué)噪音、以及其它噪音的影響。因此，她的算法比之前用于從測量數(shù)據(jù)中還原圖像的算法要更加準確，并能更好地處理噪音的問題。她還將她使用的測試數(shù)據(jù)公開，使得其他研究人員也能使用。
因她提出的算法，讓各大望遠鏡收集到的數(shù)據(jù)可以“拼”到一起，這才有了彌足珍貴的黑洞照片。歷時約兩年的“洗”照片，終于告一段落。而今年，作為博士生的她僅僅29歲。作為幕后英雄，可謂是年輕有為。
不僅僅是照片，探索未止
雖然照片看起來依然是一片迷幻的“混沌”，但這次歷史性的探究，也是人類史上一塊耀眼的豐碑。這次的重大發(fā)現(xiàn)，不僅讓我們能接觸到黑洞的真實面貌，更重要的是，幫我們驗證了愛因斯坦廣義相對論和黑洞的物理性質(zhì)，包括黑洞真實質(zhì)量、直徑、自轉(zhuǎn)速度......
在未來，黑洞是否會如霍金所言“蒸發(fā)”，我們不得而知。但，探索不會放棄，你我都在路上。向博曼學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)其探索精神、創(chuàng)新精神以及鉆研精神，從已知到未知，探索永不止步。
