史上第一張黑洞真身照片終于問世，要感謝超算

第一張黑洞照片剛剛公布，在這張照片的背后，超級計(jì)算機(jī)處理數(shù)PB的天文數(shù)據(jù)，并且模擬黑洞碰撞、星系誕生，是人類想象力的終極武器。

今天是天文愛好者的不眠夜。

史上第一張黑洞真身照片終于問世，終于讓我們明白，原來黑洞不是黑的，是“紅”的（玩笑）。

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盡管黑洞的第一張真身照是一張模糊、不規(guī)則的圓環(huán)，但這張照片的背后凝結(jié)了目前最先進(jìn)的探測技術(shù)，整個(gè)過程歷時(shí)十余年，動用了來自非洲、亞洲、歐洲、北美洲和南美洲的200多名研究人員，八個(gè)探測望遠(yuǎn)鏡不分晝夜觀測，最終的這張圖像也有可能獲得諾貝爾獎。

這一切成就，都離不開視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）和背后的計(jì)算。

跨越地球直徑：八個(gè)望遠(yuǎn)鏡堅(jiān)守

通常，每臺望遠(yuǎn)鏡都獨(dú)立運(yùn)行，觀測發(fā)出微弱無線電波的天體。然而，黑洞比宇宙中的其他任何射電源都要小得多、暗得多。為了看得更清楚，天文學(xué)家需要使用非常短的波長——1.3毫米——可以穿透黑洞和地球之間的物質(zhì)云。

拍攝黑洞照片還需要放大率，或“角分辨率”，這相當(dāng)于在巴黎路邊的一間咖啡館里閱讀位于紐約的手機(jī)上的文本。望遠(yuǎn)鏡的角分辨率隨接收盤的大小而增大。然而，即使是地球上最大的射電望遠(yuǎn)鏡也遠(yuǎn)沒有大到足以看到黑洞。

但是，當(dāng)多個(gè)距離很遠(yuǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡同步并聚焦于宇宙中的一個(gè)單一光源時(shí)，它們可以通過一種稱為甚長基線干涉測量(VLBI)的技術(shù)，作為一個(gè)非常大的射電拋物面天線運(yùn)行，這樣它們的組合角分辨率因此可以大大提高。

對于EHT就是由8個(gè)參與的望遠(yuǎn)鏡組合成為一個(gè)與地球一樣大的虛擬射電天線，能夠?qū)⒁粋€(gè)物體的分辨率降低到20微角秒。巧合的是，根據(jù)愛因斯坦的方程，這幾乎就是觀測黑洞所需的精度。

2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國夏威夷、美國亞利桑那州、西班牙的8臺亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對黑洞展開觀測，利用甚長基線干涉測量技術(shù)(VLBI)將這8臺望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建成超級“虛擬”望遠(yuǎn)鏡——視界面望遠(yuǎn)鏡（EHT），EHT口徑13000公里，約等同于地球直徑。

望遠(yuǎn)鏡在全球分布示意圖，紅點(diǎn)代表望遠(yuǎn)鏡所在地

EHT形成之后，望遠(yuǎn)鏡具備了“拍照”的能力，這只是黑洞照片的第一步，拍照之后的下一步是“洗”照片。

洗照片：超算處理百萬G數(shù)據(jù)

實(shí)際上，EHT早就拍完了照片，而“洗照片”的過程長達(dá)兩年。

為何“洗照片”時(shí)間如此之長？

因?yàn)檫@類觀測的數(shù)據(jù)處理并非只用一套現(xiàn)成的方法。多臺望遠(yuǎn)鏡之間的鐘差、望遠(yuǎn)鏡自身狀態(tài)隨時(shí)間的微小改變等問題都會影響觀測精度。另一方面，“拍照”對象黑洞本身也在不斷變化，科學(xué)家需要探索新方法對“相機(jī)”進(jìn)行校準(zhǔn)，建立模型，以提升合成圖像的質(zhì)量和精度。

數(shù)據(jù)處理過程中需要根據(jù)處理結(jié)果不斷調(diào)整運(yùn)算方法進(jìn)行改進(jìn)，加之?dāng)?shù)據(jù)量巨大，因此用時(shí)很長。有報(bào)道稱，為了處理這些海量數(shù)據(jù)，美國麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家開發(fā)了新算法，以加快數(shù)據(jù)分析。

在射電天文學(xué)中，由望遠(yuǎn)鏡檢測到無線電波，其頻率將入射光以波的形式記錄，其幅度和相位以電壓形式測出。在對這次拍攝的主角——M87進(jìn)行觀測時(shí)，每個(gè)望遠(yuǎn)鏡都以電壓的形式接收數(shù)據(jù)流，用數(shù)字形式表示。

每臺望遠(yuǎn)鏡都記錄了大約1PB（100萬GB）的總數(shù)據(jù)。

在觀測結(jié)束后，每個(gè)觀測站點(diǎn)的研究人員收拾起成堆的硬盤，并快遞給美國麻省的Haystack天文臺和德國馬普射電天文學(xué)研究所。（在數(shù)據(jù)量如此巨大的情況下，用快遞空運(yùn)硬盤要比電子方式傳輸數(shù)據(jù)快得多）

這兩個(gè)天文臺（所）有強(qiáng)大的高度專業(yè)化的超級計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)一次能夠處理兩個(gè)數(shù)據(jù)流。

由于每臺望遠(yuǎn)鏡在EHT的虛擬無線電盤上處于不同位置，因此它呈現(xiàn)的目標(biāo)物體的視圖會略有不同，這里的目標(biāo)就是M87。由兩個(gè)單獨(dú)的望遠(yuǎn)鏡接收的數(shù)據(jù)可以編碼黑洞的類似信號，但也各自包含特定于每臺望遠(yuǎn)鏡的噪聲。

超級計(jì)算機(jī)中的相關(guān)器將來自EHT的八個(gè)望遠(yuǎn)鏡的每對可能的數(shù)據(jù)排成一行。通過比較，在數(shù)學(xué)上消除噪音，挑出黑洞的信號。每臺望遠(yuǎn)鏡上安裝的高精度原子鐘會為輸入數(shù)據(jù)加上時(shí)間戳，讓分析人員能夠在事后對數(shù)據(jù)流進(jìn)行匹配。

隨后，Haystack天文臺和馬普射電天文學(xué)研究所的研究人員開始了“關(guān)聯(lián)”數(shù)據(jù)的艱苦過程，識別來自不同望遠(yuǎn)鏡的一系列問題，修復(fù)這些問題并重新運(yùn)行相關(guān)器，直到數(shù)據(jù)通過嚴(yán)格驗(yàn)證。之后，這些數(shù)據(jù)會被發(fā)送至全球四個(gè)獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)，這些團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是使用獨(dú)立的技術(shù)由數(shù)據(jù)生成圖像。

以下是從“拍照片”到“洗照片”的流程：

愛因斯坦的勝利

1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，給出了后世皆知的愛因斯坦場方程。

1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過計(jì)算得到了愛因斯坦引力場方程的一個(gè)真空解，表明如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)周圍存在一個(gè)界面——事件視界面，一旦進(jìn)入界面，即使光也無法逃脫，美國物理學(xué)家約翰·惠勒將之形象地稱為“黑洞”。

自史瓦西得到黑洞的第一個(gè)解之后，許多物理學(xué)家也開始投身到對這種“不可思議的天體”的研究中。20世紀(jì)30年代，美國的“原子彈之父”奧本海默研究發(fā)現(xiàn)，恒星在一定環(huán)境下可以坍縮形成黑洞，這種觀點(diǎn)在近幾十年的數(shù)值計(jì)算中得到了證實(shí)。

隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，對于天體的研究顯然不會僅僅停留在計(jì)算的層面。但問題是，黑洞不同于其他天體，它既然連光都能吞噬，人類又怎能在茫茫宇宙中發(fā)現(xiàn)黑洞呢？

科學(xué)家可通過測量黑洞對周圍天體的作用和影響，如吸積盤、噴流現(xiàn)象等，間接觀測或推測黑洞的存在。物質(zhì)在被吞噬時(shí)，會沿螺旋狀軌道靠近并落入中心的黑洞，從而在黑洞周圍形成圓盤狀的吸積盤。在黑洞的引力下，吸積盤內(nèi)物質(zhì)落入黑洞的速度極快，物質(zhì)之間的摩擦使它被加熱至數(shù)十億度的高溫，從而發(fā)出輻射。

黑洞“吸食”周圍的天體物質(zhì)時(shí)，部分氣體在被“吃”之前會沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，這便是噴流。

后來，越來越多黑洞被人們觀測到，也證明了一百多年前愛因斯坦的廣義相對論。

人類第一張黑洞照片：IBM計(jì)算機(jī)模擬

相比起紅色黑洞，人們可能更適應(yīng)下面這張黑洞照片。

這張照片是美國天體物理學(xué)家Jean-PierreLuminet在1978年繪制的，這是展示了黑洞事件視界的第一幅圖像。

當(dāng)然，這并不是一張真實(shí)的照片。有著數(shù)學(xué)背景的Luminet用一臺20世紀(jì)60年代的IBM7040穿孔計(jì)算機(jī)，首次模擬了黑洞的樣子。

計(jì)算機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)后，Luminet費(fèi)力地用鋼筆和墨水在負(fù)片紙上手工繪制黑洞。這張模糊的圖像(見上圖)顯示了如果我們離黑洞足夠近，落入黑洞的扁平物質(zhì)盤可能是什么樣子。它看起來不是平的，因?yàn)楹诙吹膹?qiáng)大引力使它周圍的光發(fā)生了彎曲。

2014年，大火的科幻電影《星際穿越》制作出了一張黑洞圖，因其對黑洞的“科學(xué)準(zhǔn)確”描述而廣受好評，電影中描繪的黑洞在很大程度上就是基于Luminet幾十年前的研究成果。

電影《星際穿越》中的黑洞 Gargantua

現(xiàn)在，IBM7040早已進(jìn)入博物館，人類探索黑洞也早已邁入另一個(gè)歷史進(jìn)程中。

超算，打開人類奔向宇宙的想象

2015年，引力波的發(fā)現(xiàn)讓黑洞的研究更進(jìn)一步。

在今年1月出版的《物理評論快報(bào)》上，科學(xué)家發(fā)表了迄今為止最精確的黑洞合并末期計(jì)算機(jī)模型。

來自LIGO discovery的黑洞圖像

建立像黑洞碰撞這樣巨大事件的模型非常困難，因?yàn)楫?dāng)相互碰撞的黑洞變得非常接近時(shí)，就在兩者最終合并的前幾秒鐘，它們的引力場和速度變得極端，數(shù)學(xué)變得非常復(fù)雜，以至于無法用標(biāo)準(zhǔn)的分析方法來分析。

科研人員用加州理工學(xué)院的超算，接個(gè)新的機(jī)器學(xué)習(xí)程序或算法從模擬中學(xué)習(xí)，最終從近900個(gè)黑洞合并的模擬中創(chuàng)建模型，花費(fèi)了20000小時(shí)的計(jì)算時(shí)間。

現(xiàn)在，計(jì)算力的能量已經(jīng)不僅僅是模擬黑洞。

這次“洗照片”的德國馬普射電天文學(xué)研究所，曾經(jīng)做出過更前沿的探索——預(yù)測的大規(guī)模星系結(jié)構(gòu)。他們還發(fā)現(xiàn)大型星系中的中心黑洞阻礙了恒星的形成。

星系層級的匯聚過程也獲得了新的發(fā)現(xiàn)。理論長期以來推測應(yīng)該首先形成一個(gè)小星系，然后在數(shù)十億年的過程中聚集成更大的天體，被引力聚集在一起。中間會發(fā)生許多星系碰撞，星系經(jīng)常被潮汐力破壞。然后它們的恒星最終在新形成的大型星系周圍的寬軌道上運(yùn)行，從而賦予它們微弱的背景光（下圖）。

黑洞、宇宙模擬，這一切離不開計(jì)算力。

百載汲汲求索，今朝何其幸運(yùn)能夠見證第一張黑洞照片問世。當(dāng)然，掀起黑洞甚至更多神秘天體的“蓋頭”，今天邁出的僅僅是第一步，未來我們會一直在路上。