从拍照到“冲洗照片”让黑洞“现真容”，没那么容易

老乔

在过去，人们用胶卷拍摄照片，拍完后，人们需要对胶卷进行比较繁琐的冲洗处理，然后才能把胶卷上记录的图像和颜色显示成照片。可是要得到黑洞的照片，比冲印胶卷照片难多了。

北京时间2019年4月10日21点整，天文学家们公布了人类首次拍摄到的黑洞照片。其实，这张黑洞照片的拍摄时间为2017年4月5-11日，却直到近期，科学家们才正式得到这张照片并公之于众。换句话说，“冲洗”这张照片花了2年时间，可以想象这其中的艰难。给黑洞拍照，可能吗？

此次公布的照片中的黑洞，位于室女座星系团中一个巨椭圆星系M87的中心。接下来，我们将从研究这个黑洞来反推给黑洞拍照的理论依据。

M87星系位于银河系外，是室女座星系团的成员，它是天空中最明亮的星系之一。1918年，美国天文学家希伯·柯蒂斯首次观测到了这个星系有一束奇怪的由物质组成的线，称为“物质喷流”，它与星系中心相连，延伸达5000光年。合理的科学猜想是，M87中心有一个超大质量的黑洞，它强大的引力聚集了周围的星际气体与尘埃，它们运动的离心力慢慢与黑洞的引力相平衡，形成绕着黑洞旋转的吸积盘（一种由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构）。吸积盘的磁场被旋转的黑洞所扭曲，当磁力线被缠紧时，一些物质被以极高的速度抛出，形成喷流。这些被喷射出的高能粒子也可能到达地球，成为高能宇宙射线的一部分。另一方面，转动的气体也会不断释放能量，被加热后向外产生辐射，以电磁波的形式释放出来。

在黑洞周围一个范围内，包括光在内的任何物质都无法逃脱黑洞的引力，任何信息也无法从黑洞中释放出来，这个范围称为“事件视界”。吸积盘距离黑洞约几百到几万倍事件视界。因此，黑洞本身因为吸收所有物质导致无法探测，但是可以通过吸积盘和喷射的电磁辐射信号来捕捉它。而科学家所期待的黑洞照片的特征，即为有电磁辐射的吸积盘围绕着跨过事件视界的黑洞的区域。

给黑洞拍照，得选什么“相机”？

根据理论，吸积盘中的气体辐射强度最高的电磁波波长为1毫米，可对应无线电波的波长，需要使用射电望远镜来观测。

天文学中常用角直径来描述远处天体的直径。假设在10米远处观察一个直径为9厘米的物体，那么角直径为0.5。，恰好近似等于在地球上看滿月时月球的角直径。按照这个计算可知，就算天体非常巨大，但是与地球距离太远的话，角直径会非常小。而黑洞的视界半径为3 300万千米，因此角直径约为5.5×10-5角秒，这相当于要用镜头记录下20千米处的一粒直径为2.5微米的灰尘！

此外，天文学中的角分辨率定义为，当望远镜恰好能够分辨出远处2个光源时，2个光源到望远镜之间的最小夹角。而要测黑洞的望远镜所瞄准的电磁波波长为1.3毫米，角分辨率必须小于角直径才能观测到黑洞的结构，因此可以推算出所需的望远镜透镜直径要达到约1万千米，这相当于地球的直径。做出直径和地球一样大的望远镜，现实中是不可能的。目前全球最大的射电望远镜，位于贵州的“FAST”，直径才500米。

早在1962年，英国天文学家马丁·赖尔就提出了天文干涉仪的想法，即使用分处两地的2架射电望远镜接收同一天体发出的无线电波，这样得到的观测分辨率等效于用一台直径为两地之间距离的望远镜观测所得。这次给黑洞拍照所使用的“事件视界望远镜”（ Event HorizonTelescope，简称EHT）则是利用分布在世界各地天文台的望远镜，通过原子钟与全球定位系统（ GPS）校准时间来进行协同观测，形成一组望远镜网络或阵列系统。同时，地球的自转运动，又给位于不同地点的望远镜带来了不同的拍摄角度。这样，把这些来自不同天文台的望远镜拍摄的信息进行处理后，相当于在用一台直径为地球大小的望远镜来拍摄照片。

花了2年时间，才让黑洞“现真容”！

看到这里，想必同学们也能想到了，原来，“相机”（即“事件视界望远镜”）最初记录的黑洞并不是图片信息，而是一些无线电波信号。而要想最终见到黑洞的“真容”，要将望远镜接收到的无线电波信号进行分析和处理，转换成黑洞的图像，而这依然是个极大的挑战。因为，在这次拍照过程中，实际能用到的地理位置合适、波段探测灵敏度也合适的“相机”，全球才有8个，这相当于在一张地球大小的图片上，只画了稀疏的几个点，然后要把它们整合成一张完整的图像。另外，宇宙空间并不是空荡荡的，而是布满了各种其他的天体，这又引入了海量的背景噪音，使人们要从将近5PB（拍字节，相当于500万套大英百科全书的容量）的数据中挖掘出黑洞的图像。

因此，科研团队需要动用多方面先进的技术来应对挑战，并最终用2年的时间才获得了现在同学们看到的照片。

信号处理

发明无线网络技术的澳大利亚科学家约翰·奥沙利文曾经在天文台工作，致力于搜索迷你黑洞的信号。然而，因为微弱的黑洞信号湮没在背景噪音里，他的努力最后没有成功，而他研发的无线电天文图像增强技术却正好运用在了无线网络上。其中的一项核心技术是对信号进行一种叫“快速傅里叶变换”的数学处理方法（主要利用周期性函数叠加，把信号进行重新编制，把原来以时间为函数的信号变换为以频率为函数的信号）。通过将时间函数信号转换为频率函数信号，能够把信号里不同的组分区分出来，只挑选研究人员感兴趣的信号。比如，一个由5个不同周期的正弦函数叠加而成的信号，如果我们只对其中周期为50赫兹的信号感兴趣，但又不了解其他的信号（视为背景噪音），单从时间函数信号图中很难将它挑出来。而经过快速傅里叶变换后，我们可以很清晰地区分不同频率，把背景噪音逐一消除，将所要的信号分离出来。

黑洞模拟

在获取比较干净的信号后，人们要将信号还原成一张照片，如前文所述，还原照片还得面临数据点太稀疏的问题。另外，在处理数据时也需要非常谨慎，回避因为主观判断而对数据进行“不客观”的处理。

为了获得黑洞的图像，人们可以将接收到的电磁波信号，在进行各种处理后，与模拟图像进行比较，计算相符合程度的概率，从而挑出在进行不同分析处理后，最符合黑洞的照片。

在模拟黑洞时，人们用到了光线追踪技术。当光源发出的光线照射到物体上时，光会被反射、折射、透射或者吸收，然后再进入我们的眼睛，形成物体的图像。如果知道光源的位置、物体的形状，通过运用几何和物理知识，我们可以计算出光线的路径。对于黑洞，由于它有强大的引力作用，还需要引入广义相对论等复杂的理论计算。科学家们开发了黑洞的光线追踪计算机程序，可以根据观测到的频率信号产生计算机模拟的黑洞三维图像。因此，这项技术可以帮助人们预估黑洞的照片应该是怎样的;相反地，也可以将模拟图像与实际得到的图像比较，来检验理论，或 者获取黑洞的参数。例如，电影《星际穿越》！中科学家模拟的黑洞。

数据处理

为了更有效、更合理地处理数据，EHT团队的凯蒂-伯曼博士等人采用机器学习的算法，他们在模拟黑洞图像的基础上，输入大量不同的图片，包括不同星系的图像、其他天体的图像，甚至是人们日常的笑脸来训练算法，使算法生成的图像，即黑洞图片的像素点能很好地符合数据点，并检验结果是否合理。一些复杂的物理机制对图片的影响，比如星际物质对电磁波的散射，也纳入了测试与检验中。

本文简要介绍了拍摄黑洞照片所涉及的若干技术，但这些对于整个研究来说只是沧海一粟。我们可以看到，黑洞照片的拍摄不单有天文学家和物理学家参与，还涉及电子信息学、统计学、计算机和人工智能领域的发展和贡献。这也要求研究人员在精通本身研究领域的同时，还需要有较宽的视野和协同合作的能力。（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）