“看见”黑洞,看见极大破坏力的新力量孕育者!

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在打开本文之前,想必你已经被社交网络上那张黑洞的真面目照片所轰炸。但究竟什么是黑洞?——科学家告诉我们,黑洞就像是星系秩序的调节者,虽破坏力巨大,但也是孕育新恒星的关键。

就像是创业,不破不立,每一次新力量的诞生,总是伴随着旧格局的打破。而这张珍贵的黑洞照片的整个诞生过程,也是由一个创业团队"EHT "所主导完成。他们首先提出了一个疯狂的想法,在一片质疑声与不屑的眼光中艰难行进;项目总共耗时三年,最终取得突破,让这一"看见黑洞"的奇迹,得以在人类历史上发生。

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2019 年 4 月 10 日 21 点整,在全球六地(比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿)同时召开的新闻发布会上,国际组织事件视界望远镜(EHT)发布了人类首张黑洞照片。至此,一直“活在传说中”的黑洞终于露出了真容,也昭示着,人类对宇宙的认知边界又被向前推进了一大步。

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为了完成这张特写,科学家们调动了全球从两极到赤道共8个天文台的力量进行图片数据拍摄,之后,又有来自全球的62家科研机构共同参与了照片的合成。整个项目耗时近三年,可以说是倾“全人类之力”完成的一件壮举。而以前我们看到的黑洞图片则是人类想象中黑洞的样子。

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为什么黑洞如此难拍?

为什么给黑洞拍照这么难呢?

简单来说,我们能看到的最小物体是有限的,你想看到的物体越小,所需的望远镜就需要越大。观测黑洞的难度,就像让站在地球上的你寻找月球上的一枚硬币一样。

目前,我们人类最强大的光学望远镜能够拍摄到最清晰的月球表面,其画面为1.3万像素,而每个像素里能容纳150万个硬币。

所以拍摄黑洞大小的望远镜,估计需要地球大小的巨无霸光学望远镜才可以实现。而造这样一个望远镜,在人类目前的技术水平下,几乎是不可能的。

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望远镜不够,算法可以

在探寻黑洞的路上,有这样一个被称作“视界线望远镜”(Event Horizon Telescope)的团队不肯罢休。

他们提出了一个有点疯狂的想法:如果把世界上所有的望远镜连接起来,在电脑上模拟一个地球大小的望远镜,收集这些数据,再通过合理的算法分析,也许就能描绘黑洞的模样。

这个想法相当疯狂,以至于当时不少人认为视界线望远镜”(Event Horizon Telescope)这个项目的成立有点不可理喻,一些天文学家也对这个项目嗤之以鼻。

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但EHT还是在一片质疑声中把这个项目进行了下去。

在2016年 TED x BeaconStreet 演讲中,项目的主要参与人之一、来自 MIT 的博士生凯蒂·伯曼向全世界讲述了这个项目是如何进行下去的。

可能大家都看过由IDG资本首席畅想官刘慈欣作品改编的电影——《流浪地球》,那遍布地球大大小小的推进器成了推进地球前进的动力。

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而想要成功拍摄黑洞,人类大概需要用同样密集分布的望远镜把地球装扮成这样。

但实际上我们根本不可能获取到如此多高质量观测点,只能在地球上找几个点,布置上望远镜。

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左边这黑球上的几个亮点就是我们现在布局在地球上的8个射电望远镜。通过他们收集到的图像可以平铺结合成右边的图。

虽然只有这可怜的几处,但随着地球的自转,望远镜的位置改变, 我们就可以得到图片的各个部分。但所得到的样本仍然不足,需要通过开发生成图片的算法将空白的地方填满, 从而模拟出隐藏的黑洞图片。

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两年出图 AI 助力

要保证所有8个望远镜都能看到这两个黑洞,从而达到最高的灵敏度和最大的空间分辨率,符合的时间段每年只有10天。

具体对于2017年来说,是在4月5日—14日之间;而此次观测是4月5日—10日之间的5个晚上。在每一个观测中心,科学家们将利用提前校对好的原子钟时间,对每一个电磁波到达的时间进行分别标定和存盘,等到观测结束之后再汇总比较。

因此,在拍摄黑洞过程中一项重要的任务就是:开发一种既可以找到合理图像,又能使图像符合望远镜所测量到的信息的算法。

从拍摄完成,到最终的发布,科学家们用漫长的两年才找到这一最合理的算法,并最终完整所有图片数据的分析、整合。

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判断一张照片是否属于某个群组不是件难事,但问题是,如果判断的主角是黑洞,这个只存在于人类想象中的概念,算法如何判断哪张图更像黑洞呢?

通过提取现有图片的碎片特征,科学家可以将不同图片的特征赋予算法。EHT的研究人员也正是用这种方式,将大量图像分解成无数的小拼图碎片,用其中常见的拼图碎片来组合成一张符合望远镜所测量数据的完整图片,这时候,我们对黑洞的描绘也就更接近真实了!

当数据形成海洋的时候,人工处理只能是大海捞针,但交给AI,也许就是小菜一碟。无论是德克萨斯大学的学生 Anne Dattilo 用AI算法发现系外行星,还是斯坦福大学研究小组利用机器学习来研究强引力透镜的图像,这都意味着处理大数据的AI技术正在变革天文领域,甚至整个人类的认知边际。如果没有机器学习等相关的数据处理技术,这人类史上第一张照片可能要推迟个几十年面世了。

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为什么要给黑洞照相?

其实这件事情的意义就远远超越其本身,正如美国太空人阿姆斯特朗登陆月球后的第一句话:我的一小步,是人类的一大步。这次对拍摄黑洞的跨国行动,也迈出了人类太空探索的一大步。

除了黑洞照片本身,这种新的观测宇宙的方式似乎更为重要,地球上的射电阵列可以拍到银河中心,那么如果我们把望远镜放到更远的地方,太空轨道上,是否有机会观测到更远的深空。

有了这些数据天文学家可以分析出来黑洞的周围有什么,这些东西以什么样的状态存在......

就像刘慈欣《三体》里说的,“我们都是阴沟里的虫子,但总还是得有人仰望星空。”也正因人类仰望星空的努力从未停止,今天的我们,才能够站在无数巨人的肩膀上,看到了当初他们奋力想看却无法企及的景象。创业又何尝不是如此?!所以可以这么说:因为相信,所以看见。请相信"相信"的力量。


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