怎样拍摄一张黑洞的照片?

2016年，麻省理工学院一位年轻的女博士登上了著名的科技讲坛——TED的演讲台，她演讲的题目是“怎样拍摄一张黑洞的照片”。3年后，全世界数十个科研机构的200多名科学家共同努力，终于拍摄出人类第一张黑洞照片，当年的这位女博士作为庞大科研团队中的一员，在“冲洗”黑洞照片的过程中又发挥了极其重要的作用。2019年4月10日，随着黑洞照片的正式发布，这位女博士在“脸书”上的照片刷爆了社交网络，“走红”全世界。这位被媒体誉为“黑洞背后的天才少女”的人，就是凯蒂·布曼。

事件视界

1915年，爱因斯坦在广义相对论中最先预言了黑洞的存在。在爱因斯坦的理论中，黑洞是一种质量巨大、引力极强的天体，可以吸收周围一切的外来物质，就连人类已知传播速度最快的光都无法逃脱黑洞的吞噬。理论上，黑洞无法被观察到，更别提给它拍摄照片了。然而，科学家认为，黑洞的阴影——“事件视界”却是可以被观察到的。

根据天文学的理论，既然黑洞将附近的物质和光吸向自己，那么黑洞周围就会存在一个“边界”——进入这个“边界”的物质和光无法逃逸出来，而这个“边界”就被称为“事件视界”。在“事件视界”之外，宇宙中周围弥散的物质也会被黑洞强大的引力所拉拽，形成一个炽热的气体吸积盘。这个气体吸积盘时不时地发出不同频率的光辐射，可以被天文望远镜观察到。于是，黑洞在明亮的气体吸积盘的衬托下留下了一个“暗影”，而“暗影”与气体吸积盘之间的时空区域就是“事件视界”。

科学家通过观察“事件视界”，就可以间接地描绘出黑洞的轮廓。所以，科学家观察黑洞，其实是观察“事件视界”的结构。

拍摄黑洞

M87星系（又称室女座A星系）这次观察到的黑洞是位于M87星系中心的巨大黑洞，距离地球5500万光年，体积是太阳的680万倍，质量约为太阳的64亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。

虽然体积如此巨大，M87黑洞仍然很难观察。从地球上看，M87黑洞大概与月球上的一个橘子一样大，由于衍射现象，我们能看到的最小物体是有限制的，想看到的东西越小，需要的望远镜就越大，如果想看到M87黑洞，我们需要的望远镜要和地球一样大。

当然，建造一个和地球一样大的望远镜是不可能的，但通过一种叫做“甚长基线干涉”的技术，科学家可以构建一个很大的“虚拟”望远镜。

“甚长基线干涉”是一种射电天文学测量方法，它允许用多个射电望远镜同时观测一个天体，从而模拟一个大小相当于射电望远镜间最大间隔距离的巨型望远镜。如果想模拟出一个地球大小的望远镜，科学家需要使用“甚长基线干涉”技术，将位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极洲的8处独立的大型射电望远镜连接起来，让它们像一台仪器一样协同工作。这8个望远镜从南到北横跨7000千米左右，两者之间最远距离超过1万千米，组合到一起就成了一个“地球一样大的望远镜”。通过这个虚拟望远镜拍摄黑洞，这就是凯蒂等科学家所参与的“事件视界”望远镜项目。

在麻省理工学院求学期间，凯蒂加入了海斯塔克天文台。这座天文台有美国最强大的超级计算机，负责对世界各地天文台发送来的黑洞数据进行前期处理，是“事件视界”望远镜项目的数据处理中心——凯蒂“冲洗”黑洞照片所做的工作大部分是在这里完成的。从麻省理工学院毕业后，凯蒂在兴趣的驱使下，又以博士后的身份加入哈佛大学的“‘事件视界’望远镜图像处理”团队，并一步步成为“事件视界”望远镜项目的核心成员。

2006年，“事件视界望远镜”启动并记录下了第一组天文数据。到了2017年，来自全世界数十个科研机构的200多名科学家正式开始勾勒M87黑洞的模样。2019年4月10日，科学家正式发布的首张黑洞照片便是M87的照片。

“冲洗”照片

给黑洞拍照不容易，“冲洗”照片则更不容易。因为黑洞的照片并不是普通意义上的照片，它不是直接快门一按就拍摄出来，而是由精锐的计算机算法团队“拼”出来的，而凯蒂就是黑洞成像算法团队的领导者。

在拍摄黑洞照片时，世界各地的8处独立的望远镜协同工作，由于黑洞细节小、信号暗、干扰太多，每一处望远镜都会产生海量的数据。据估计，在一次历时5天的观测任务中，8处望远镜收集的数据可以装满1万至2万个硬盘，重达半吨。这么多硬盘，都会用飞机运往海斯塔克天文台。

面对这些数据，科学家有大量工作要做，比如，他们要从数据中滤除由大气湿度等因素引起的噪音，也要对8处望远镜捕捉到的信号做精确同步处理。其中，最难的问题就是如何将“事件视界”望远镜的数据转化成一幅合理的视觉图像。如果将地球大小的望远镜想象成一颗巨大的迪斯科球，每一面镜子都会收集光线，组合到一起就能得到一幅完整的黑洞图像。但由于“事件视界”望远镜只接入了8处望远镜，这相当于将迪斯科球的大部分镜子移走了，仅有的8面镜子只能收集到完整图像中的寥寥极少的部分，科学家必须通过缜密的算法填补空缺的部分，才有可能合成一张完整的黑洞照片——这就是凯蒂所承担的任务。

然而，空缺的部分是不能随意填充的，有很多事情需要考虑。比如，没有人见过真实的黑洞，凯蒂在填充图像时，不可避免要做些猜测，但她必须要考虑相对论以及其他天文学规律，否则所做出的图像的质量会非常差；但另一方面，如果完全按照现有的物理定律来设计算法，那么得到的只会是科学家预想中的图像，我们不能从这张图像里看到新的东西。所以，凯蒂只能设计大量的算法，从中进行甄选和调试，然后找到最合理的算法，使合成出来的黑洞图像能够在物理定律和猜测之间达到一个平衡，同时又能使图像可以与8处望远镜测量到的信息相符合。

几年来，凯蒂进行了无数次精心设计的测试，旨在做出一张高质量的黑洞照片。2018年6月，她又一次将编写的程序代码付之运行，一枚带有黑色阴影的橙色“魔戒”出现在计算机屏幕上——这就是2019年4月10日展现在世人面前的黑洞照片，它已经最大限度地反映了黑洞的真容。

下一步，凯蒂和“事件视界”项目会将镜头对准人马座A*，同时也会有更多的天文台加入进来，人马座A*黑洞位于距离地球2.6万光年的银河系中心，它是已知离地球最近的超大质量黑洞，也是科学家的最佳观测目标。届时，人类向着探索黑洞奥秘又会更进一步。