她看到黑洞的96小时:世界高声撕扯,科学家低调合作

发布: 2019-04-16
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科学始终很燃。

作者 |  崔一凡 林秋铭

    一张黑洞的照片,让全世界整整兴奋了四天。我们从未这样直接地瞥到死神的眼睛,直到她出现了。和我们身边那些怀揣梦想的年轻人一样,她年轻,乐观,迷人,充满幻想,为了一件看起来不可能的事坚持不懈。这个故事告诉我们,尽管生活中有很多挫折和沮丧,世界也变得越来越封闭,但科学始终是一件很燃的事情,它让不同国家、不同文化的人能够跨越壁垒,通力合作,振奋全人类的精神。

    秘密

    她被祝福包围了。“我来自印度”“我来自英国”……在她的Facebook上,人们说得最多的是“恭喜”和“感谢”。一个中国人冲她喊:Well done!在全世界的社交媒体上,她的那张黑洞照片都引发了兴奋的狂潮,在不同的地方造成了不同的影响。在中国,视觉中国因为版权问题被“停业整顿”。在美国,又开始争论性别平权。

    一夜之间,大家开始对这个女生感到好奇。

    从26岁起,凯蒂·伯曼就藏着一个秘密。那时她还在麻省理工学院攻读博士学位,主要研究领域是电气工程和计算机成像技术。关于这个女孩,人们所知甚少。Facebook并不是她的常用工具,她只在20岁生日和去年结婚时发过两条动态,中间是大段的空白。看看她的点赞记录,只会了解到她的工作与学术有关。她关注过一个摄影博主,唯一点赞过的电影是《星球大战》。

    父亲查尔斯·伯曼是普渡大学的工程系教授。凯蒂从十几岁起,就申请加入普渡大学科研项目,跟着老伯曼研究计算机成像技术。这段经历让她对工程学产生了兴趣。她的科学老师经常夸她,说她笔记做得认真。

    老伯曼原本以为,女儿的人生会像他一样平缓顺遂:毕业后,在大学里做个勤恳的教书匠,沉浸在科学与工程学的世界里,度过一段默默无闻却美妙的人生。但自从凯蒂三年前加入一项宇宙拍摄计划,她的人生出现了转折。

    那时她总是泡在一间逼仄的工作室里,和同事们一起,每人面对一台电脑。没有实验设备,更没什么工程器械。凯蒂也很少谈论工作,父亲对她的秘密一无所知。

    2019年4月8号晚上,凯蒂回到美国印第安纳州的家中,看起来难掩兴奋。

    “什么事这么好笑?” 父亲问。

    “有张照片,很有趣。”凯蒂蹦出一句。

    虽然不知道发生了什么,但老伯曼确信,女儿一定遇上了什么好事。第二天,凯蒂在她一年未动的Facebook上发布了一条新动态。是一张照片,她坐在那间狭小的办公室里,十指交握,捂着嘴,笑得很开心。

    第一次看到黑洞照片的凯蒂 图 | 凯蒂的facebook

    她面前的电脑屏幕里,显示出一张并不清晰的图片。它像一枚放在黑色幕布上造型并不匀称的戒指,泛着橙黄色光芒。桌面背景是一行行细密的代码。

    她说:“看着我制作的第一张黑洞图像重构出来,真是不可思议。”

    黑洞?宇宙中的那个黑洞吗?它不是看不见的吗?人们涌入社交网络围观这个年轻女孩儿,老伯曼也陆续接到了当地报纸记者的采访邀请,请他谈谈自己的女儿。伊万卡·特朗普在推特上转发了这个消息,夸赞凯蒂实现的“难以置信的成就”。

    与此同时,在华盛顿、布鲁塞尔、灵比、东京,中国的上海和台北,各地天文台召开发布会,向大家展示凯蒂电脑上的那张照片。全世界都看到了这枚模糊的“戒指”。这个信息已经被媒体反复地报道:照片拍摄的,是室女A星系(M87星系)中心的超大质量黑洞,距离地球5500万光年。美国国家科学基金会表示,被拍摄黑洞的质量是太阳的65亿倍,并“彻底扭曲了时空结构”。

    当地时间2019年4月10日,比利时布鲁塞尔,科学家召开新闻发布会,公布人类史上首张黑洞照片。 图 | 东方IC

    一直以来,人类对黑洞的秘密都保持着旺盛的好奇心。1915年,爱因斯坦提出广义相对论,抛给世人一个引力场公式。他预言宇宙中存在着一个黑暗的物体,光子无从逃逸,物质则失去信息。

    1967年,约翰·阿奇博尔德·惠勒在一次学术会议上提出“黑洞”概念,在他的自传中,他写道:“黑洞教育我们空间可以像纸一样被揉捏成一个无穷小的点,小到时间会像火焰一样被熄灭,而我们之前所以为的‘神圣’不可变的物理法则也再不是那样了。”

    无数文学和电影作品都穷尽想象试图塑造它。但面对这样一个巨大、沉默,且打破长久以来人类世界观的存在,我们无法奢求更多。为了观测到它,这项拍摄计划从筹备到实现经历了十几年。来自中国的物理学家吴庆文也参与了进来,与他一同工作的中国科学家共有16名。选中M87星系中心的这个黑洞,是因为它更容易观测。

    “我们叫天空上的投影,它的面积最大。”吴庆文说。

    他与凯蒂有过短暂接触,知道那是个很年轻的女孩儿。人类梦想着与浩渺的宇宙产生关联,凯蒂更是如此。虽然这是一份足以载入科学史的工作,但出于保密考虑,拍摄黑洞的计划,她从未透露只言片语。

    不可能完成的任务

    西拉斐特是美国印第安纳州的一座小镇,因普渡大学在此建校而形成。小镇人口不足三万,尚不及普渡大学学生人数。正因此,这里的学术氛围浓厚,凯蒂在西拉斐特度过了少年时光,高中的最后一年,她从教授口中了解到“事件视界望远镜计划”。这项计划聚集了全世界二百多名顶尖科学家,旨在让人类亲眼看到黑洞。

    这个不经意间聊到的话题一直埋在她心里。或许得益于家庭教育,凯蒂的学术生涯一路顺遂。高中毕业后,她考入密歇根大学安娜堡分校学习电气工程,因为成绩优异,获得美国国家科学基金会奖学金,以最高荣誉身份毕业,后赴麻省理工学院深造。

    她一直没忘记那项激动人心的计划——“看见黑洞”。

    在后来的采访中,她多次提到自己的科研理想,“找出测量或呈现人类还看不到的东西的方法”。爱因斯坦把黑洞形容为“巨大的不发光的物体”,这个物体存在于千万光年外,遍布整个宇宙,却从未在人类面前露出真容。

    2015年,美国激光干涉引力波天文台第一次直接探测到双黑洞并合产生的引力波,人类“听”到了黑洞的“声音”。但这还远远不够,作为计算机成像工程学家,凯蒂想亲眼看看黑洞。

    尽管毫无天文学和物理学背景,但这并不妨碍她了解宇宙的兴趣。凯蒂把实习地点选在麻省理工学院的海斯塔克天文台。在获得了电气工程及计算机成像科学硕士之后,她终于受邀加入事件视界地平线计划,以初级研究员的身份参与黑洞拍摄。

    在这之前,科学家们只能追踪到光子消失的视界,而真正的黑洞依然是巨大的谜团。观测5500万光年外的黑洞,如同在地球上看月球上的一颗葡萄柚。而迄今功能最强大的光学望远镜,也不足以让人类看清月球表面。如果有一台天文望远镜能将黑洞“拍摄”下来,那这台望远镜的直径将达到10000千米。地球直径不过13000千米。

    事件视界望远镜团队提供了一个完全不同的思路。既然无法建设一台超级望远镜,那不如利用现有资源,把地球做成一台“虚拟超级望远镜”。如果世界各地的天文望远镜在同一时间段对准目标黑洞,利用地球自转和公转,便能捕获到黑洞的部分像素。

    视界望远镜由位于四大洲的8台射电望远镜所组成,图中的黄色线条为连接这些望远镜的“基线”,由此构成了一架和地球大小相当的望远镜。图 | EHT

    一项全球协作正式展开。团队中的科学家来自世界各国,他们的专业领域包括天文学、数学、物理学、计算机科学和工程学。

    “如果不是这样,我们无法完成这个艰巨的任务。”凯蒂说。

    吴庆文负责黑洞拍摄的理论分析工作,他要在拍摄前研究黑洞里会发生什么,光子在弯曲的时空中行走,这是一个复杂的物理计算过程。而在大洋另一端,凯蒂的任务是开发一种机器学习算法,从望远镜和天文台收集到的海量数据中提取有效信息,并将这些琐碎的“像素”缝合成合理图像,最终还原成图片。

    她工作的地点是哈佛大学史密森天体物理中心,出于保密需求,凯蒂的团队只能在一个不起眼的小房间里工作。工作室的绝大部分被一张方桌占据,几台电脑围绕桌沿挤在一起,四周的黑板上布满各种公式和坐标轴。后来凯蒂在Facebook上发布的照片,正是在这个房间里拍的。

    人们惊叹于第一张黑洞照片诞生地的简陋。但对凯蒂来说,这简直是最容易解决的困难。试想一下,如何把一堆细碎、杂乱、不完整的拼图还原成本来面目,且将它的分辨率提高一个数量级?

    这就是凯蒂即将面对的工作。

    凯蒂与同事的合照 图 | 凯蒂的facebook

    光年外的世界

    2017年4月,墨西哥,普埃布拉州。

    海拔4640米的赛拉涅哥拉火山是墨西哥的第五高峰,凯蒂带领她的团队来到这里参与黑洞观测和拍摄。山顶温度很低,她穿着黑色外套,身后是直径50米的白色射电望远镜,它的传感器天线可以接收到130亿年前的宇宙毫米波。

    在这个需要给研究人员提供纯氧的实验室里,凯蒂·伯曼目睹了对5500万光年外M87星系黑洞的观测。时间很紧张,由于参与项目的天文望远镜分布在世界各地,经纬度不同,天气情况也不同,一年中能用来拍摄的时间不过10天。

    参与拍摄的天文望远镜分布在墨西哥和夏威夷的火山,格陵兰的冰封之地,智利阿塔卡玛沙漠,西班牙内华达山脉,美国亚利桑那州和南极点,四大洲的八台天文射电望远镜在同一时间对准同一个目标。

    在中国,上海天文台的研究员启程前往JCMT望远镜观测中心。这座天文望远镜位于夏威夷莫纳克亚山山顶,由上海天文台牵头运营。像凯蒂一样,他们也面临着高海拔连续工作的挑战,在呼吸都困难的情况下通宵校准信号。

    由于天气原因,最终的观测时间被缩短至七天,但七天中获取的数据足以让二百多位科学家忙活两年。吴庆文告诉我们,这些望远镜一天就能收集到2PB(约2000TB)数据,大约等同于欧洲高能加速器一年产生的数据量。

    这些数据远超网络带宽负荷,研究人员只能将它们压缩到实体硬盘中,用飞机运输。墨西哥之行两个月后,半吨重的存储数据从世界各地运到凯蒂的工作室,最后到来的是南极点望远镜数据——那里的漫长极夜刚刚结束。

    科学家们连接了全球八个望远镜,来捕捉黑洞的图像 图 | European Southern Observatory

    凯蒂把它们堆在桌子上,像卸掉了外壳的电脑主机。她张开双臂,和这些来自银河外的数据拍了张合照。

    现在轮到凯蒂了。

    她的算法依据物理学中的甚长基线干涉技术重建黑洞形象,但地球外部厚重的大气层会影响无线电波,对“干涉”造成干扰。凯蒂想到的办法是:如果每一个测量值都由三台望远镜数据相乘,那大气层引起的误差便可抵消。

    这套算法名为CHIRP(连续高分辨率图像重建),结合从世界各地天文望远镜获取到的数据及不同的理论假设、不同的算法进行比较。在盲测之后,若得到了相似的结构,就意味着这套算法取得了成功,拍摄到的黑洞也就是真正的黑洞。

    “(这些)数据处理起来史无前例地困难。”吴庆文说。

    工程浩大,全球二十多个国家、六十多个研究机构参与其中。正是在这个阶段,凯蒂的算法发挥了决定性作用。她将算法发送至各国研究机构进行独立分析。凯蒂和她的同事们被分成四组,在重置图片结果出现之前,小组间不能相互交流。误差是不允许存在的,只有各团队最终结果一致,才能验证凯蒂的算法是否有效。

    2018年夏天的正午,凯蒂和三位同事聚集在那间哈佛大学的小工作室里,他们在等待世界各地天文台上传数据。房间闷热,他们目不转睛盯着电脑屏幕。时间一分一秒过去,数据一波波传进她的电脑。CHIRP程序开始运行。

    “每个人都不敢相信。”凯蒂说,人类第一张黑洞照片就这样出现在电脑屏幕上。

    接下来的一年,他们进行了一系列测试,各小组间进行图片对照,以保证所拍摄到的黑洞影像不是宇宙中的一个巧合。2019年4月初,各团队图像的比较结果最终确定,那个貌似戒指的东西,就是来自M87星系中心的黑洞照片。

    那场同时在华盛顿、上海、台北、布鲁塞尔、灵比和东京召开的新闻发布会上,项目主任杜勒曼激动地说,“我们已经完成了上一代人认为不可能做到的事情。技术的突破、世界上最好的射电望远镜之间的合作、创新的算法汇聚到一起,打开了了解黑洞的全新窗口。”

    在上海,包括吴庆文在内的中国科学家坐在前排参与了发布会,照片公布的瞬间,掌声响起,持续了一分多钟。这张黑洞照片通过媒体和社交网络迅速传遍世界,搜索量在推特上居首。在新浪微博上,不到一天时间图片阅读量就达七亿。社交网络上掀起P图热潮,不同的是,美国网友热衷把它做成甜甜圈和披萨,中国网友觉得它更像蜂窝煤。

    “这是我们了解黑洞的一个窗口,从这里开始,我们验证了我们的物理规律。”凯蒂说。

    她终于实现了梦想,向父亲“坦白”了隐藏三年的秘密。她拿到了加州理工大学的offer,即将成为一名助教,她的新课题是“设计能将算法和传感器紧密结合在一起的系统”。

    黑洞照片公布后的第三天,她的Facebook再次更新:第一次出现在人类面前的M87星系中心黑洞被命名为Powehi——一个夏威夷短语,意思是“带来无尽创造力的瑰丽的黑色源泉”。

    参考资料:

    《Meet Katie Bouman, One WomanWho Helped Make the World's First Image of a Black Hole》

    《Katie Bouman: The womanbehind the first black hole image》

    Journal&courier:《Thatfirst-ever black hole picture? A West Lafayette grad played a big part》

    《That image of a black holeyou saw everywhere? Thank this grad student for making it possible》

    《Black hole picture capturedfor first time in space breakthrough》

    《Earth Sees First Image Of ABlack Hole》

    《Meet Katie Bouman, the womanwho transformed our view of black holes forever》

    《Katie Bouman: 5 Fast FactsYou Need to Know》

    《凯蒂·伯曼:怎样拍摄一张黑洞的照片》

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    • 撰文 | 崔一凡 林秋铭 编辑 | 金赫
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