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事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!

前沿技术
其言朗朗11个月前
事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!

事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!

#文章仅代表作者观点,未经作者许可,禁止转载,不代表IPRdaily立场#


来源:IPRdaily中文网(iprdaily.cn)

作者:影晞

原标题:事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片!揭秘黑洞照片背后的神秘之手!


人类历史上的第一张黑洞正式面世,这张拍了5天,用了两年成像的的照片背后有何神秘隐情?今天就和小编一起解密这张伟大照片背后的神秘之手!


北京时间2019年4月10日晚9:00,注定将成为一个被历史铭记的时间。在美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京将同时召开新闻发布会,公布人类历史上“第一张黑洞照片”。而这张来自黑洞的照片迅速刷屏朋友圈,登顶微博热搜。黑洞,这个早在1916年就出现的名词,不是艺术作品,不是想象图,更不是模拟图,而是以其真身亮相于大众面前。这张人类首次拍摄到的黑洞照片,来自M87,其距离地球5500万光年,质量为太阳的65亿倍。关于黑洞的知识呢各大媒体都有普及,小编就不详细介绍了。(还不懂得朋友指路“央视新闻”微博:“九句话看懂黑洞”)。

 

事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!

来源:EHTCollaboration


今天,我们主要来看看这张震惊了人类的照片到底是怎么拍出来的?


黑洞照片怎么拍?


首先,我们了解黑洞照片不能忽略的是望远镜。毕竟离我们5300万光年,不拿个放大镜也看不清楚啊。(虽然这张图有点高糊)这个“望远镜”是由全球多国科研人员合作的“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, 简称EHT),但实际上它并不是一个望远镜,而是8个。8个望远镜怎么运作呢?看图!

 

事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!


因为黑洞离地球实在太远了,我们如果想一窥黑洞全貌必须得用一个直径超级大的望远镜才能稍稍看清黑洞的样子,比如和地球直径一样的望远镜就足以我们看清楚了。但很显然,我们建造不了这么大的望远镜,所以人类的智慧在这时尤其重要。科学家们基于“甚长基线干涉技术(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)”理论,将世界各地的望远镜连接起来,构建一个口径等同于地球直径的“虚拟”望远镜,每一个望远镜通过原子钟准确相连,同时启动,就可以还原数万光年以外,一个未知天体在某一时刻的真实容貌。

 
还不懂,让专家给你解释。


“假设我们能够建造地球般大小的望远镜,就有点像将地球想像成舞厅里的迪斯科旋转球。每一面镜子会搜集光线,然后我们能将这些影响整合成一张图片。但是,现在让我们移除大多数的镜子,只剩下少数几个。我们仍可试着整合这些资讯,但是,现在只能看到很多“孔洞”。这些剩下的镜子代表那些有望远镜的地方,测量数据少之又少,甚至无法形成一张图片。虽然我们只在少数有望远镜的地方搜集光线,地球旋转时,我们可以获得一些新的测量数据。换句话说,就像迪斯可球旋转时,那些镜子也会改变位置,我们得以观察不同面向的影像。【1】”Katie Bouman,一名麻省理工学院博士生,同时也是图像处理科学家。她在麻省理工学院学习时提出了一种新的算法,过滤掉了因大气湿度等引起的噪声,可以精确地同步望远镜们采集到的数据,最终经由四个团队,使用三种不同的方式独立分析后,得到的M87黑洞影像一致,这才公布于众,目前Katie Bouman就职于Caltech。(下图就是这位名叫Katie Bouman的科学家,是不是年轻又漂亮。)


事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!

图片来自MIT CSAIL

 
听起来是不是很厉害!

 

事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!


好了,现在照片“拍”好了,怎么“洗”照片呢?


“洗”照片又是一道坎


EHT项目收集的数据量非常庞大,半吨半吨...的硬盘被运送到了MIT海斯塔克天文台(Haystack Observatory),如何将EHT的数据转换成图像?这给计算带来了前所未有的挑战。


事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!

图片来自Paul Coxon

 
为了协助拍摄黑洞第一张照片,Bouman设计了新的算法来完成黑洞照片的拍摄。Bouman将这一新算法称作 CHIRP,也叫“啁啾”,就是“使用图像块优先的连续高分辨率图像还原”(Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors的缩写)。

 

事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!


事件视界望远镜使用了一种称为干涉测量的技术,它结合了望远镜对探测到的信号,从而使信号相互干扰。实际上,啁啾可以应用于任何使用无线电干涉测量的成像系统。

 
通常,天文信号会在稍有不同的时间到达任何两个望远镜。考虑到这种差异对于从信号中提取视觉信息是至关重要的,但是地球的大气层也可以减缓无线电波的传播,夸大到达时间的差异,并放弃干涉成像所依赖的计算。


Bouman对这个问题采用了一种巧妙的代数解:如果三台望远镜的测量值相乘,大气噪声造成的额外延迟就会相互抵消。这就意味着每一次新的测量都需要来自三个望远镜的数据,而不仅仅是两个,而且精度的提高弥补了信息的丢失。

 
即使过滤掉了大气噪声,从散布在全球各地的少数望远镜获得的测量数据也相当稀疏;任何数量的可能图像都可以同样很好地拟合数据。因此,下一步是组装一个既适合数据又满足对图像外观的特定期望的图像。Bouman和她的同事也在这方面做出了贡献。

 
传统上用于解释天文干涉数据的算法假定图像是单个光点的集合,并试图找到亮度和位置与数据最匹配的点。然后,该算法将相邻的亮点模糊在一起,试图恢复天文学图像的某些连续性。

 
为了产生更可靠的图像,Chirp使用了一个比单个点稍微复杂一点的模型,但仍然可以在数学上进行处理。你可以把这个模型想象成一个橡胶板,上面覆盖着规则间隔的圆锥体,圆锥体的高度各不相同,但底部的直径相同。【2】

 
“像法庭的素描家一样,利用有限的相貌描述以及他们对于脸部结构的知识,将表现相貌图片的特点拼凑出来,我开发的影像演算法使用有限的望远镜资料为我们生成这种影响:类似于宇宙中的事物的影响。利用这些演算法,让我们能够利用零零散散的资料拼凑出黑洞可能的样子。”“我们能够仰赖这样的模拟演算法,很快地得到黑洞的第一张照片,同时也能计算‘光环’的大小。【1】”Bouman说。

 
谁说科学家只会说专业术语,这位科学家小姐姐讲的理论就很通俗易懂,虽然只是个大概,但也能想象得到背后其实还是一个相当复杂的数据计算。5天的时间拍出的照片用两年的时间进行成像,向拍出伟大照片的科学家们致敬!

 事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!


拍黑洞照片有啥用?


不过,小编还有个疑问。科学家们如此费心费力的拍出了黑洞照片仅仅是为了一窥黑洞的神秘面貌吗?对未来探索宇宙有什么帮助?


有专家给出了答案:黑洞照片的这次的直接成像除了帮助我们直接确认了黑洞的存在,同时也通过模拟观测数据对爱因斯坦的广义相对论做出了验证。在视界面望远镜的工作过程和后来的数据分析过程中,科学家们发现,所观测到的黑洞阴影和相对论所预言的几乎完全一致,令人不禁再次感叹爱因斯坦的伟大。


事件视界望远镜+“啁啾”=黑洞照片?揭秘黑洞照片背后的神秘之手!

爱因斯坦


另外一个重要意义在于,科学家们可以通过黑洞阴影的尺寸限制中心黑洞的质量了。这次就对M87中心的黑洞质量做出了一个独立的测量。在此之前,精确测量黑洞质量的手段非常复杂。


受限于观测分辨率和灵敏度等因素,目前的黑洞细节分析还不完善。未来随着更多望远镜加入,我们期望看到黑洞周围更多更丰富的细节,从而更深入地了解黑洞周围的气体运动、区分喷流的产生和集束机制,完善我们对于星系演化的认知与理解。【3】



注:

【1】:《Katie Bouman: 如何拍攝黑洞的照片》演讲

【2】:麻省理工学院新闻办公室发表《一种黑洞成像方法——新的算法可以将全球天文测量结果结合起来》(由百度翻译软件翻译而来)

【3】:科普中国出品《人类首张黑洞照片为啥高糊?一文权威解答你最关心的8个黑洞问题》



来源:IPRdaily中文网(iprdaily.cn)

作者:影晞

编辑:IPRdaily王颖          校对:IPRdaily纵横君


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(英文官网:iprdaily.com  中文官网:iprdaily.cn) 

 

本文来自IPRdaily中文网(iprdaily.cn)并经IPRdaily.cn中文网编辑。转载此文章须经权利人同意,并附上出处与作者信息。文章不代表IPRdaily.cn立场,如若转载,请注明出处:“http://www.iprdaily.cn/

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