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原標題：事件視界望遠鏡+“啁啾”=黑洞照片！揭秘黑洞照片背後的神秘之手！
人類歷史上的第一張黑洞正式面世，這張拍了5天，用了兩年成像的的照片背後有何神秘隱情？今天就和小編一起解密這張偉大照片背後的神秘之手！
北京時間2019年4月10日晚9：00，註定將成為一個被歷史銘記的時間。在美國華盛頓、中國上海和臺北、智利聖地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時召開新聞發佈會，公佈人類歷史上“第一張黑洞照片”。而這張來自黑洞的照片迅速刷屏朋友圈，登頂微博熱搜。黑洞，這個早在1916年就出現的名詞，不是藝術作品，不是想象圖，更不是模擬圖，而是以其真身亮相於大眾面前。這張人類首次拍攝到的黑洞照片，來自M87，其距離地球5500萬光年，質量為太陽的65億倍。關於黑洞的知識呢各大媒體都有普及，小編就不詳細介紹了。（還不懂得朋友指路“央視新聞”微博：“九句話看懂黑洞”）。
來源：EHTCollaboration
今天，我們主要來看看這張震驚了人類的照片到底是怎麼拍出來的？
黑洞照片怎麼拍？
首先，我們瞭解黑洞照片不能忽略的是望遠鏡。畢竟離我們5300萬光年，不拿個放大鏡也看不清楚啊。（雖然這張圖有點高糊）這個“望遠鏡”是由全球多國科研人員合作的“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope, 簡稱EHT），但實際上它並不是一個望遠鏡，而是8個。8個望遠鏡怎麼運作呢？看圖!
因為黑洞離地球實在太遠了，我們如果想一窺黑洞全貌必須得用一個直徑超級大的望遠鏡才能稍稍看清黑洞的樣子，比如和地球直徑一樣的望遠鏡就足以我們看清楚了。但很顯然，我們建造不了這麼大的望遠鏡，所以人類的智慧在這時尤其重要。科學家們基於“甚長基線干涉技術（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）”理論，將世界各地的望遠鏡連接起來，構建一個口徑等同於地球直徑的“虛擬”望遠鏡，每一個望遠鏡通過原子鐘準確相連，同時啟動，就可以還原數萬光年以外，一個未知天體在某一時刻的真實容貌。
還不懂，讓專家給你解釋。
“假設我們能夠建造地球般大小的望遠鏡，就有點像將地球想像成舞廳裡的迪斯科旋轉球。每一面鏡子會蒐集光線，然後我們能將這些影響整合成一張圖片。但是，現在讓我們移除大多數的鏡子，只剩下少數幾個。我們仍可試著整合這些資訊，但是，現在只能看到很多“孔洞”。這些剩下的鏡子代表那些有望遠鏡的地方，測量數據少之又少，甚至無法形成一張圖片。雖然我們只在少數有望遠鏡的地方蒐集光線，地球旋轉時，我們可以獲得一些新的測量數據。換句話說，就像迪斯可球旋轉時，那些鏡子也會改變位置，我們得以觀察不同面向的影像。
【1】”Katie Bouman，一名麻省理工學院博士生，同時也是圖像處理科學家。她在麻省理工學院學習時提出了一種新的算法，過濾掉了因大氣溼度等引起的噪聲，可以精確地同步望遠鏡們採集到的數據，最終經由四個團隊，使用三種不同的方式獨立分析後，得到的M87黑洞影像一致，這才公佈於眾，目前Katie Bouman就職於Caltech。（下圖就是這位名叫Katie Bouman的科學家，是不是年輕又漂亮。）
圖片來自MIT CSAIL
聽起來是不是很厲害！
好了，現在照片“拍”好了，怎麼“洗”照片呢？
“洗”照片又是一道坎
EHT項目收集的數據量非常龐大，半噸半噸...的硬盤被運送到了MIT海斯塔克天文臺（Haystack Observatory），如何將EHT的數據轉換成圖像？這給計算帶來了前所未有的挑戰。
圖片來自Paul Coxon
為了協助拍攝黑洞第一張照片，Bouman設計了新的算法來完成黑洞照片的拍攝。Bouman將這一新算法稱作 CHIRP，也叫“啁啾”，就是“使用圖像塊優先的連續高分辨率圖像還原”（Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors的縮寫）。
事件視界望遠鏡使用了一種稱為干涉測量的技術，它結合瞭望遠鏡對探測到的信號，從而使信號相互干擾。實際上，啁啾可以應用於任何使用無線電干涉測量的成像系統。
通常，天文信號會在稍有不同的時間到達任何兩個望遠鏡。考慮到這種差異對於從信號中提取視覺信息是至關重要的，但是地球的大氣層也可以減緩無線電波的傳播，誇大到達時間的差異，並放棄干涉成像所依賴的計算。
Bouman對這個問題採用了一種巧妙的代數解：如果三臺望遠鏡的測量值相乘，大氣噪聲造成的額外延遲就會相互抵消。這就意味著每一次新的測量都需要來自三個望遠鏡的數據，而不僅僅是兩個，而且精度的提高彌補了信息的丟失。
即使過濾掉了大氣噪聲，從散佈在全球各地的少數望遠鏡獲得的測量數據也相當稀疏；任何數量的可能圖像都可以同樣很好地擬合數據。因此，下一步是組裝一個既適合數據又滿足對圖像外觀的特定期望的圖像。Bouman和她的同事也在這方面做出了貢獻。
傳統上用於解釋天文干涉數據的算法假定圖像是單個光點的集合，並試圖找到亮度和位置與數據最匹配的點。然後，該算法將相鄰的亮點模糊在一起，試圖恢復天文學圖像的某些連續性。
為了產生更可靠的圖像，Chirp使用了一個比單個點稍微複雜一點的模型，但仍然可以在數學上進行處理。你可以把這個模型想象成一個橡膠板，上面覆蓋著規則間隔的圓錐體，圓錐體的高度各不相同，但底部的直徑相同。【2】
“像法庭的素描家一樣，利用有限的相貌描述以及他們對於臉部結構的知識，將表現相貌圖片的特點拼湊出來，我開發的影像演算法使用有限的望遠鏡資料為我們生成這種影響：類似於宇宙中的事物的影響。利用這些演算法，讓我們能夠利用零零散散的資料拼湊出黑洞可能的樣子。”“我們能夠仰賴這樣的模擬演算法，很快地得到黑洞的第一張照片，同時也能計算‘光環’的大小。【1】”Bouman說。
誰說科學家只會說專業術語，這位科學家小姐姐講的理論就很通俗易懂，雖然只是個大概，但也能想象得到背後其實還是一個相當複雜的數據計算。5天的時間拍出的照片用兩年的時間進行成像，向拍出偉大照片的科學家們致敬！
拍黑洞照片有啥用？
不過，小編還有個疑問。科學家們如此費心費力的拍出了黑洞照片僅僅是為了一窺黑洞的神秘面貌嗎？對未來探索宇宙有什麼幫助？
有專家給出了答案：黑洞照片的這次的直接成像除了幫助我們直接確認了黑洞的存在，同時也通過模擬觀測數據對愛因斯坦的廣義相對論做出了驗證。在視界面望遠鏡的工作過程和後來的數據分析過程中，科學家們發現，所觀測到的黑洞陰影和相對論所預言的幾乎完全一致，令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。
愛因斯坦
另外一個重要意義在於，科學家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質量了。這次就對M87中心的黑洞質量做出了一個獨立的測量。在此之前，精確測量黑洞質量的手段非常複雜。
受限於觀測分辨率和靈敏度等因素，目前的黑洞細節分析還不完善。未來隨著更多望遠鏡加入，我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細節，從而更深入地瞭解黑洞周圍的氣體運動、區分噴流的產生和集束機制，完善我們對於星系演化的認知與理解。【3】
注：
【1】：《Katie Bouman: 如何拍攝黑洞的照片》演講
【2】：麻省理工學院新聞辦公室發表《一種黑洞成像方法——新的算法可以將全球天文測量結果結合起來》（由百度翻譯軟件翻譯而來）
【3】：科普中國出品《人類首張黑洞照片為啥高糊？一文權威解答你最關心的8個黑洞問題》
來源：IPRdaily中文網（iprdaily.cn）
編輯：IPRdaily王穎 校對：IPRdaily縱橫君
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