【新智元導(dǎo)讀】第一張黑洞照片剛剛公布，在這張照片的背后，超級(jí)計(jì)算機(jī)處理數(shù)PB的天文數(shù)據(jù)，并且模擬黑洞碰撞、星系誕生，是人類想象力的終極武器。
今天是天文愛(ài)好者的不眠夜。
史上第一張黑洞真身照片終于問(wèn)世，終于讓我們明白，原來(lái)黑洞不是黑的，是“紅”的：）
請(qǐng)配戴眼鏡查看高清大圖
盡管黑洞的第一張真身照是一張模糊、不規(guī)則的圓環(huán)，但這張照片的背后凝結(jié)了目前最先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)十余年，動(dòng)用了來(lái)自非洲、亞洲、歐洲、北美洲和南美洲的200多名研究人員，八個(gè)探測(cè)望遠(yuǎn)鏡不分晝夜觀測(cè)，最終的這張圖像也有可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
這一切成就，都離不開(kāi)視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）和背后的計(jì)算。
通常，每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都獨(dú)立運(yùn)行，觀測(cè)發(fā)出微弱無(wú)線電波的天體。然而，黑洞比宇宙中的其他任何射電源都要小得多、暗得多。為了看得更清楚，天文學(xué)家需要使用非常短的波長(zhǎng)——1.3毫米——可以穿透黑洞和地球之間的物質(zhì)云。
拍攝黑洞照片還需要放大率，或“角分辨率”，這相當(dāng)于在巴黎路邊的一間咖啡館里閱讀位于紐約的手機(jī)上的文本。望遠(yuǎn)鏡的角分辨率隨接收盤(pán)的大小而增大。然而，即使是地球上最大的射電望遠(yuǎn)鏡也遠(yuǎn)沒(méi)有大到足以看到黑洞。
但是，當(dāng)多個(gè)距離很遠(yuǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡同步并聚焦于宇宙中的一個(gè)單一光源時(shí)，它們可以通過(guò)一種稱為甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)的技術(shù)，作為一個(gè)非常大的射電拋物面天線運(yùn)行，這樣它們的組合角分辨率因此可以大大提高。
對(duì)于EHT就是由8個(gè)參與的望遠(yuǎn)鏡組合成為一個(gè)與地球一樣大的虛擬射電天線，能夠?qū)⒁粋€(gè)物體的分辨率降低到20微角秒。巧合的是，根據(jù)愛(ài)因斯坦的方程，這幾乎就是觀測(cè)黑洞所需的精度。
2017年4月5日，由位于南極、智利、墨西哥、美國(guó)夏威夷、美國(guó)亞利桑那州、西班牙的8臺(tái)亞毫米射電望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對(duì)黑洞展開(kāi)觀測(cè)，利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)(VLBI)將這8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡構(gòu)建成超級(jí)“虛擬”望遠(yuǎn)鏡——視界面望遠(yuǎn)鏡（EHT），EHT口徑13000公里，約等同于地球直徑。
望遠(yuǎn)鏡在全球分布示意圖，紅點(diǎn)代表望遠(yuǎn)鏡所在地
EHT形成之后，望遠(yuǎn)鏡具備了“拍照”的能力，這只是黑洞照片的第一步，拍照之后的下一步是“洗”照片。
實(shí)際上，EHT早就拍完了照片，而“洗照片”的過(guò)程長(zhǎng)達(dá)兩年。
為何“洗照片”時(shí)間如此之長(zhǎng)？
因?yàn)檫@類觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理并非只用一套現(xiàn)成的方法。多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡之間的鐘差、望遠(yuǎn)鏡自身狀態(tài)隨時(shí)間的微小改變等問(wèn)題都會(huì)影響觀測(cè)精度。另一方面，“拍照”對(duì)象黑洞本身也在不斷變化，科學(xué)家需要探索新方法對(duì)“相機(jī)”進(jìn)行校準(zhǔn)，建立模型，以提升合成圖像的質(zhì)量和精度。
數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要根據(jù)處理結(jié)果不斷調(diào)整運(yùn)算方法進(jìn)行改進(jìn)，加之?dāng)?shù)據(jù)量巨大，因此用時(shí)很長(zhǎng)。有報(bào)道稱，為了處理這些海量數(shù)據(jù)，美國(guó)麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了新算法，以加快數(shù)據(jù)分析。
在射電天文學(xué)中，由望遠(yuǎn)鏡檢測(cè)到無(wú)線電波，其頻率將入射光以波的形式記錄，其幅度和相位以電壓形式測(cè)出。在對(duì)這次拍攝的主角——M87進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，每個(gè)望遠(yuǎn)鏡都以電壓的形式接收數(shù)據(jù)流，用數(shù)字形式表示。
每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都記錄了大約1 PB（100萬(wàn)GB）的總數(shù)據(jù)。
在觀測(cè)結(jié)束后，每個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的研究人員收拾起成堆的硬盤(pán)，并快遞給美國(guó)麻省的Haystack天文臺(tái)和德國(guó)馬普射電天文學(xué)研究所。（在數(shù)據(jù)量如此巨大的情況下，用快遞空運(yùn)硬盤(pán)要比電子方式傳輸數(shù)據(jù)快得多）
這兩個(gè)天文臺(tái)（所）有強(qiáng)大的高度專業(yè)化的超級(jí)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)一次能夠處理兩個(gè)數(shù)據(jù)流。
由于每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡在EHT的虛擬無(wú)線電盤(pán)上處于不同位置，因此它呈現(xiàn)的目標(biāo)物體的視圖會(huì)略有不同，這里的目標(biāo)就是M87。由兩個(gè)單獨(dú)的望遠(yuǎn)鏡接收的數(shù)據(jù)可以編碼黑洞的類似信號(hào)，但也各自包含特定于每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的噪聲。
超級(jí)計(jì)算機(jī)中的相關(guān)器將來(lái)自EHT的八個(gè)望遠(yuǎn)鏡的每對(duì)可能的數(shù)據(jù)排成一行。通過(guò)比較，在數(shù)學(xué)上消除噪音，挑出黑洞的信號(hào)。每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡上安裝的高精度原子鐘會(huì)為輸入數(shù)據(jù)加上時(shí)間戳，讓分析人員能夠在事后對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行匹配。
隨后，Haystack天文臺(tái)和馬普射電天文學(xué)研究所的研究人員開(kāi)始了“關(guān)聯(lián)”數(shù)據(jù)的艱苦過(guò)程，識(shí)別來(lái)自不同望遠(yuǎn)鏡的一系列問(wèn)題，修復(fù)這些問(wèn)題并重新運(yùn)行相關(guān)器，直到數(shù)據(jù)通過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證。之后，這些數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送至全球四個(gè)獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)，這些團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是使用獨(dú)立的技術(shù)由數(shù)據(jù)生成圖像。
以下是從“拍照片”到“洗照片”的流程：
1915年，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，給出了后世皆知的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程。
1916年，德國(guó)天文學(xué)家卡爾·史瓦西通過(guò)計(jì)算得到了愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，表明如果將大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，其周圍會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，即在質(zhì)點(diǎn)周圍存在一個(gè)界面——事件視界面，一旦進(jìn)入界面，即使光也無(wú)法逃脫，美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒將之形象地稱為“黑洞”。
自史瓦西得到黑洞的第一個(gè)解之后，許多物理學(xué)家也開(kāi)始投身到對(duì)這種“不可思議的天體”的研究中。20世紀(jì)30年代，美國(guó)的“原子彈之父”奧本海默研究發(fā)現(xiàn)，恒星在一定環(huán)境下可以坍縮形成黑洞，這種觀點(diǎn)在近幾十年的數(shù)值計(jì)算中得到了證實(shí)。
隨著天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于天體的研究顯然不會(huì)僅僅停留在計(jì)算的層面。但問(wèn)題是，黑洞不同于其他天體，它既然連光都能吞噬，人類又怎能在茫茫宇宙中發(fā)現(xiàn)黑洞呢？
科學(xué)家可通過(guò)測(cè)量黑洞對(duì)周圍天體的作用和影響，如吸積盤(pán)、噴流現(xiàn)象等，間接觀測(cè)或推測(cè)黑洞的存在。物質(zhì)在被吞噬時(shí)，會(huì)沿螺旋狀軌道靠近并落入中心的黑洞，從而在黑洞周圍形成圓盤(pán)狀的吸積盤(pán)。在黑洞的引力下，吸積盤(pán)內(nèi)物質(zhì)落入黑洞的速度極快，物質(zhì)之間的摩擦使它被加熱至數(shù)十億度的高溫，從而發(fā)出輻射。
黑洞“吸食”周圍的天體物質(zhì)時(shí)，部分氣體在被“吃”之前會(huì)沿著旋軸的方向噴射出高能粒子，這便是噴流。
后來(lái)，越來(lái)越多黑洞被人們觀測(cè)到，也證明了一百多年前愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。
相比起紅色黑洞，人們可能更適應(yīng)下面這張黑洞照片。
這張照片是美國(guó)天體物理學(xué)家Jean-Pierre Luminet 在1978年繪制的，這是展示了黑洞事件視界的第一幅圖像。
當(dāng)然，這并不是一張真實(shí)的照片。有著數(shù)學(xué)背景的Luminet用一臺(tái)20世紀(jì)60 年代的IBM7040穿孔計(jì)算機(jī)，首次模擬了黑洞的樣子。
計(jì)算機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)后，Luminet費(fèi)力地用鋼筆和墨水在負(fù)片紙上手工繪制黑洞。這張模糊的圖像 (見(jiàn)上圖) 顯示了如果我們離黑洞足夠近，落入黑洞的扁平物質(zhì)盤(pán)可能是什么樣子。它看起來(lái)不是平的，因?yàn)楹诙吹膹?qiáng)大引力使它周圍的光發(fā)生了彎曲。
2014年，大火的科幻電影《星際穿越》制作出了一張黑洞圖，因其對(duì)黑洞的 “科學(xué)準(zhǔn)確” 描述而廣受好評(píng)，電影中描繪的黑洞在很大程度上就是基于 Luminet幾十年前的研究成果。
電影《星際穿越》中的黑洞 Gargantua
現(xiàn)在，IBM7040早已進(jìn)入博物館，人類探索黑洞也早已邁入另一個(gè)歷史進(jìn)程中。
2015年，引力波的發(fā)現(xiàn)讓黑洞的研究更進(jìn)一步。
在今年1月出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上，科學(xué)家發(fā)表了迄今為止最精確的黑洞合并末期計(jì)算機(jī)模型。
來(lái)自LIGO discovery的黑洞圖像
建立像黑洞碰撞這樣巨大事件的模型非常困難，因?yàn)楫?dāng)相互碰撞的黑洞變得非常接近時(shí)，就在兩者最終合并的前幾秒鐘，它們的引力場(chǎng)和速度變得極端，數(shù)學(xué)變得非常復(fù)雜，以至于無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)的分析方法來(lái)分析。
科研人員用加州理工學(xué)院的超算，接個(gè)新的機(jī)器學(xué)習(xí)程序或算法從模擬中學(xué)習(xí)，最終從近900個(gè)黑洞合并的模擬中創(chuàng)建模型，花費(fèi)了20000小時(shí)的計(jì)算時(shí)間。
現(xiàn)在，計(jì)算力的能量已經(jīng)不僅僅是模擬黑洞。
這次“洗照片”的德國(guó)馬普射電天文學(xué)研究所，曾經(jīng)做出過(guò)更前沿的探索——預(yù)測(cè)的大規(guī)模星系結(jié)構(gòu)。他們還發(fā)現(xiàn)大型星系中的中心黑洞阻礙了恒星的形成。
星系層級(jí)的匯聚過(guò)程也獲得了新的發(fā)現(xiàn)。理論長(zhǎng)期以來(lái)推測(cè)應(yīng)該首先形成一個(gè)小星系，然后在數(shù)十億年的過(guò)程中聚集成更大的天體，被引力聚集在一起。中間會(huì)發(fā)生許多星系碰撞，星系經(jīng)常被潮汐力破壞。然后它們的恒星最終在新形成的大型星系周圍的寬軌道上運(yùn)行，從而賦予它們微弱的背景光（下圖）。
黑洞、宇宙模擬，這一切離不開(kāi)計(jì)算力。
百載汲汲求索，今朝何其幸運(yùn)能夠見(jiàn)證第一張黑洞照片問(wèn)世。當(dāng)然，掀起黑洞甚至更多神秘天體的“蓋頭”，今天邁出的僅僅是第一步，未來(lái)我們會(huì)一直在路上。
參考資料：
《黑洞什么樣？即將有圖有真相》
https://phys.org/news/2019-01-physicists-supercomputers-ai-accurate-black.html
聯(lián)系客服
