您正在使用较旧版本的浏览器。为了获得最佳 MSN 中文网体验,请使用受支持的版本

历时5年“拍照”“冲洗”,首张银心黑洞照片成像历程竟如此艰辛

文汇 徽标 文汇 2022/7/3

日前,事件视界望远镜(EHT)合作组织在包括上海在内的全球各地同时召开新闻发布会,向公众展示了银河系中心超大质量黑洞的首张照片。

与三年前首张黑洞照片类似,这张照片又是简简单单的一个橙色光晕,可“拍照”和“冲洗”照片的过程却一波三折。为此,来自全球80个研究机构共300多名研究人员(其中有来自中国7家单位的17位天文学家)花费大量精力、开发新的复杂工具,最后通过将数千张使用不同计算方法得到的最优图像平均起来,生成了最终图像。

科学的结果,简洁而美丽。探索的过程,却充满曲折与艰辛。本报特邀参与这张照片成像的上海科学家,分享银心黑洞成像背后的故事。

1.jpg © 由 文汇 提供 1.jpg

▲银河系和银河系中心黑洞的图像。(图片版权属于事件视界望远镜合作组织2022和郑兴武&马克·里德2019)

日前,银河系中心超大质量黑洞的首张照片亮相。可能在公众看来,又是一个橙色光晕,只是与M87黑洞的那张形状略有不同。但这张照片成像之复杂和艰难,却很少为人所知。打个通俗的比方,这次成像相当于拿手机给正在旋转的烟花拍照,每次拍出来的图案效果都不一样。雪上加霜的是,拍照的手机还不带防抖功能。

这几年,给黑洞“冲洗照片”的团队来自全球各地。在“冲洗”工作启动之时,可能谁也没有想到,这个过程会如此反复、难度如此之大。有人中途退出,有人始终坚守,庆幸的是,最终得到了一个大家都认可的结果。

实际上,5月12日在线发表的这一系列论文,并非今年才启动撰写,有的论文已于几年前完成初稿,就等着成像的最终结果。在这一系列论文中,黑洞成像的论文最先被审稿人和期刊接收,也算没有枉费在这曲折过程中付出的智慧和汗水。

银心黑洞的整个成像过程究竟有多复杂?仅举一例,单单照片“冲洗”工作,就有四个不同的算法工作组参与,而最终照片是由所有“合格”的照片平均而成。“冲洗”照片主要经历了五个阶段,每个阶段都有各自的特点。由于篇幅所限,笔者在此只谈及我们参与的其中一个工作组——“洁化”工作组(CLEAN)的体会。

第一阶段

反复成像,意外得到“百变”结果

2019年4月10日,事件视界望远镜(EHT)合作组织正式发布人类捕获的首张黑洞照片——室女座星系M87中心超大质量黑洞的照片。随后,EHT合作组就着手处理同期观测的另一个重要目标——我们人类所在银河系的中心。

科学需要严谨和求真。虽然已有多项间接证据暗示银河系中心存在一个超大质量黑洞,但当时天文学家还不能完全肯定那个神秘天体就是黑洞,甚至与之相关的2020年诺贝尔物理学奖给出的获奖理由也只说“发现银河系中心的超大质量致密天体”。

受到第一张黑洞照片的鼓舞,大家都希望一鼓作气,将银河系中心这个人们期待已久的天体照片呈现出来,毕竟这是我们自己所在的星系。

起初,大家还是按照黑洞首张照片时的工作模式,先在各个工作组内部独立成像,以提高成像结果的确信度。于是,在拿到观测数据后,大家就开始各显神通。但很快问题就来了——这次和首张黑洞照片成像的感觉完全不同,最令人感到迷惑的是,若反复成像几次,每次冲洗出来的照片都不一样。

于是工作组汇总了大家的问题,请前期数据校准的同行再仔细检查数据,并计划第二轮的成像工作。

2.JPG © 由 文汇 提供 2.JPG

▲参与EHT2017项目的全球望远镜

第二阶段

环状初现,姿态却各不相同

大约经过了两三个月的仔细审查和更新,包括更严格的数据校准,成像工作组再一次拿到了数据,但令人灰心的是,图像仍是千姿百态。

笔者还记得,在每周的成像工作内部讨论会上,各工作组给出的图像各式各样:汇聚的、延展的,亮斑朝上、朝下、朝左、朝右的都有……那时,各工作组已开始尝试选取不同的成像控制参数,看看最优图像是否一致。结果显示,差不多一半以上工作组能得到环状结构图像。

但所有人都知道,这对科学来说是没有说服力的。所以,在内部讨论会上,大家更多的是沉默。事实上,其他成像工作组也碰到了同样的问题,大家不禁对这次成像能否成功心生忧虑。

如此反复了几周以后,大家认为,有必要开展更大范围的参数选择和优化。于是,成像工作由单人花半天到一天工夫处理一幅图像的工作模式,转换到使用超级计算机的工作模式。

第三阶段

超算加盟,承担更多“冲洗”任务

为了有效记录“冲洗”照片的进展,工作组的小伙伴都会在一个共享工作簿上更新工作分工。回看工作簿上的统计记录,不难发现,不少工作都是利用上海VLBI天文处理平台的超级计算机完成的。

其实,在第二阶段后期,我们所在的团队已经调试好了上海VLBI天文处理平台的超级计算机,利用它来完成快速成像工作。与同行用个人电脑进行成像处理相比,超级计算机的处理速度确实要快很多。所以,第二阶段每次提交结果时,我们总能最先完成。很快,成像工作组的协调人就来联系,请团队分担更大参数范围的成像处理任务。

当时,这个超算平台正承担着“中国天眼”望远镜(FAST)、VLBI测试、以及一些常规处理任务,但想到银心成像工作的重要价值和意义,上海天文台一口应承了下来。

3.JPG © 由 文汇 提供 3.JPG

▲EHT观测室的天文学家们。(上海天文台供图)

说实话,坚持真的非常不容易。每次都需要生成几万张图像,然后反复优化,而且出于进度需要,我们还得不时检查运算是否正常。最忙的时候,天文台400核的超级计算机每天不间断地运算,往往刚处理完全部结果,每周讨论的时间就到了。

为了使结果尽量严谨,在刚开始的阶段,还要检验不同计算机的处理结果是否一致。结果发现,平台处理出来的4000张测试照片中,有7张与其他计算机的处理结果存在差异。为此,团队花了一个周末的时间,拉着平台供应商查找问题。最后发现,由于平台购置时间较早,操作系统与新计算机有一代之差,才导致了这约千分之二的差异。

经过进一步检验,这七幅图像结果的差异也只在部分数据的小数点后六位、甚至九位以后,差异几乎可以忽略不计,我们才放心进行后续的处理工作。

第四阶段

黎明前的黑暗,工作再次陷入两难

经过第三阶段的多次迭代,成像算法越来越成熟,成像工作终于迎来一线曙光,但很快又一个难题出现了。

为了检查生成的真实图像是否可靠,“洁化”工作组已经同时开发了与观测数据相似的八个不同模型的模拟数据。也就是说,如果算法及选择的控制参数能把这八个模型都反演出来,那真实数据处理的结果就是可信的。加上该工作将由四个采用不同算法的小组分别处理,如果大家都能得到同样的结果,那出错的概率就微乎其微了。

事实上,大家这时都基本确定,从真实数据成像是可以得到环形结构的。然而,工作组内部还存在一些质疑的声音,因为仍有一个模型的模拟数据无法用之前辛苦优化好的参数予以恢复。这个模型被称作“点高斯模型”,它的模拟数据与观测数据相似,对应的是一些同行曾得到的汇聚结构。

“为了将点高斯模型成功囊括进来,就需要扩展算法的控制参数。”在一次讨论会上,我们很高兴地报告了这个发现。接下来,更棘手的问题出现了,这些扩展的控制参数只对点高斯模型有用,却无法有效重构出其他模型的模拟数据——工作似乎陷入了两难。

最终阶段

峰回路转,银心黑洞“首照”终成

好在办法总比困难多。VLBI数据处理的难点在于校准,因为每台望远镜的性能和实时观测条件都不一样,要恢复出真实的信号信息,有如大海捞针。幸运的是,VLBI数据中还存在一种观测量,专业术语称之为“闭合相位”,它能反映天体的结构信息且独立于台站校准。于是,工作组进一步提出用闭合相位校准得到的模型作为初始模型输入,不再按常规做法去选取固定的几何模型。

就在这时,更大的超算平台加入了这项工作,很快使所有模型和真实数据都得到了有效恢复,这种方法也在同行中达成了共识。最后,当工作组将能重构所有模型的算法及参数用到银心数据上时,发现得到的图像95%以上都呈环形结构。虽然不同环状存在亮度在方位分布的差异(主要与银心的短时标变化有关),工作组最终通过聚类分析生成了向公众公布的银心黑洞首张照片。

4.JPG © 由 文汇 提供 4.JPG

▲银河系中心黑洞的首张照片的制作过程。(EHT合作组织供图)

还有一个细节是,工作组开发了自动识别算法来区分环状结构和非环状结构,让EHT成员每人人工完成2000张照片的分类,用来比较机器算法和人工区分是否存在明显偏差。统计数据表明,算法和人工的相似度达到92%以上。

后记

于2014年底建成的上海VLBI天文处理平台,在过去八年中,一直承担国内和国际的VLBI天文观测数据处理。

通过这个平台,科研人员得到了上海65米天马望远镜的第一个VLBI高频干涉条纹,促成了东亚VLBI网的组网成功和对外开放;获得了“中国天眼”望远镜第一个VLBI干涉条纹,并承担了后续的测试处理任务;还获得了东亚230GHz组网观测的首个干涉条纹。

同时,上海VLBI天文处理平台还是国内第一次向国际测地服务组织提供初级产品的处理机平台。至今,它几乎收集和处理过来自全球各个射电望远镜、各种观测波长和各种观测类型的数据,处理的原始数据超过5PB(相当于500万部电影,至少要几百年才能看完),处理的数据结果发表在各领域的高水平期刊杂志上。

这次处理银心黑洞的成像数据,算是上海VLBI天文处理平台的一次“兼差”,同样得到了国际同行的认可。在此次系列论文的致谢里,均提到了这个老骥伏枥的平台。

我们一直相信科学是简洁而完美的,但也深知VLBI科学发现受限于观测设备,后期数据处理的难度与阵列的完善度成反比。我们也欣喜地看到,EHT仍在不断扩展和进行技术革新,也坚信借助于我国优良的台址条件,国内的观测设施一定能早日建成并发挥其独特的作用。

>>>银心黑洞首照Q&A

Q:给银河系中心黑洞拍照的意义是什么?

A:过去几十年,人们一直怀疑银河系中心的大质量致密天体是一个巨大的黑洞,却没有直接证据。这张照片给出了银河系中心超大质量黑洞Sgr A*(人马座A*)真实存在的首个直接视觉证据,系列论文以特刊形式发表于《天体物理学杂志通信》。

Q:银心黑洞的照片是怎么拍摄的?

A:这张照片由事件视界望远镜(EHT)合作组织,通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。EHT是由分布在地球上的八个射电望远镜组成的、一个等效于地球般大小的虚拟望远镜。这张照片是EHT团队从Sgr A*的2017年观测数据中提取出的不同照片平均而成。

Q:为何银心黑洞离地球近,但拍摄却比M87中央黑洞更困难?

A:2019年发布的人类第一张黑洞照片M87中央黑洞,距离地球5500万光年,而银心黑洞距离地球仅约2.7万光年。银心黑洞看似离地球近,但其“个头”比M87中央黑洞小了1500倍。

因此,银心黑洞周围的气体绕银心黑洞转一圈只需几分钟。这意味着,它被观测时,周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化——有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍一张清晰照片。而M87中央黑洞相对比较静态,更容易拍得清晰的照片。

为了获得成像数据,EHT对Sgr A*开展了多个晚上的观测,每次连续采集好几个小时的数据。研究人员也花费大量精力,开发新的复杂工具来为其成像。

Q:未来,EHT是否还会拍摄到更高清的黑洞照片?

A:EHT的观测研究脚步从未停止。今年3月,EHT刚完成了有更多望远镜参与的联合观测。EHT的持续扩展和技术革新将使科学家可以分享更引人注目的照片,包括黑洞“电影”。

拍摄一部银河系中心黑洞的“电影”,是下一代EHT的追求。我国正在规划建设中的亚毫米波VLBI望远镜,在建成后也将可能参与到对Sgr A*的24小时不间断的接力观测中。

  作者:江悟 路如森 沈志强(作者均为EHT合作组成员,沈志强、路如森为中国科学院上海天文台研究员,江悟为副研究员)

  编辑:许琦敏

责任编辑:任荃

*文汇独家稿件,转载请注明出处。

更多来自文汇的内容

image beaconimage beaconimage beacon