在第一个黑洞照片的幕后铁热沁夫

在第一个黑洞照片的幕后

星期三，来自Event Horizon Telescope项目的科学家公布了第一张黑洞照片。虽然照片本身令人难以置信，但该项目的科学家用来捕捉它的人类聪明才智的成就同样令人印象深刻，如果不是更多的话。

EHT项目是四个不同大陆的八个不同望远镜观测站之间的合作，其数据通过最先进的传感器和原子钟组合收集，存储在数千个硬盘上，并运送到麻省理工学院的超级计算机集群和德国波恩 在那里，数据通过复杂的算法进行分析并网格化，以生成本周早些时候与世界共享的单个图像

这类项目需要在数百人之间进行荒谬的协调才能实现。他们是如何做到的。

望远镜修改

也许EHT项目最困难的方面是让所有望远镜首先协同工作。对于一个典型的天文学家来说，在一架望远镜上观察时间是一项挑战; 在六个以上的望远镜上同时观察需要进行大量的谈判。

领导EHT科学家Sheperd S. Doeleman表示，该团队已经拥有了2008年的概念验证图像，证明这种实验是可行的。“一旦人们看到我们的技术有效，一旦人们看到我们可以去望远镜并做好科学，”多尔曼说，“那时人们愿意让我们进入他们的其他望远镜。”

“我们不仅要使用望远镜，还必须以某种方式对其进行修改。”

但仅仅接受一些观察时间并不是所有需要的EHT项目。该团队拥有一系列不同的望远镜，这些望远镜具有不同的设备和不同的能力，因此许多设施需要升级或修改。“一些[天文台]需要定制修改才能使用我们的设备，”Doeleman说。“因此，我们不仅要求人们使用他们的望远镜，而且我们还必须要求以某种方式进入并修改他们的望远镜。”

他说：“我们不得不说服所有这些天文台，我们想要做的科学已经足够好，他们会让我们进来并在他们的一些敏感内部进行翻找。”

在某些情况下，这可能就像安装一些额外的设备一样简单。在其他情况下，天文台需要新的传感器，新的摄像机和新的图像处理硬件来满足指导方针。智利的Atacama大型毫米波阵列花了六年时间和许多谈判来接受所有必要的升级。

“我们不得不花费六年时间开发一个系统，以电子方式组合该站点所有60个菜肴的信号，使其看起来好像一个站点是一个菜肴，”Doeleman说。“我们去了ALMA，我们告诉他们我们想要做什么。他们说'这种设计过于侵入。它涉及我们设施中太多的组件，所以要建造一个更简单的组件。' 所以我们回到了绘图板，想出了另一种方法。“

数据过载

由于EHT团队收集和使用他们的数据的方式，这些望远镜升级很重要。该团队观察到的黑洞距离我们5300万光年，天空中有一个不可思议的小点。没有一架望远镜能够完成它，所以团队需要将所有望远镜的所有光线组合成一幅图像。

当然，问题在于观测台相隔数千英里。天文学家不得不以某种方式从这些望远镜中收集光线并将其带到海洋中进行组合，而不会丢失任何数据。基本上，这就是他们所做的。

在八个天文台的每一个中，EHT团队安装了摄像机和超高精度原子钟。在观察期间，科学家们记录了入射光信号以及接收信号的确切时刻。所有这些信息都保存在硬盘上，然后运送到麻省理工学院和波恩的计算集群。

“事实证明，互联网传输所有数据的速度太慢，”Doeleman说。“我们在2017年4月在南极录制的所有数据都需要大约25年的时间才能恢复使用互联网。”

硬盘被装入卡车和飞机并手动交付到数据中心。

取而代之的是，硬盘驱动器被装载到卡车和飞机上并手动交付到数据中心，在那里使用由Katie Bouman开发的算法在超级计算机上进行处理。在那里，数据记录使用原子钟时间戳排成一行，并根据其位置和地球曲率等因素进行调整。

“问题在于你需要有足够的计算结构来同时处理所有录音，”Doeleman说。“这些录音带宽非常高。因此，您正在记录许多不同的频率并完成所有这些 - 计算地球形状的补偿模型等等 - 这实际上需要一组计算机。“

但最终结果是一张图像比我们用一台望远镜所获得的图像更加锐利，无论多大。通过将所有八个天文台输出组合成一幅图像，EHT团队创造了相当于整个地球大小的望远镜。每个额外的天文台使等效望远镜更大，更灵敏。

这就是为什么在ALMA度过的六年如此重要。ALMA是世界上最大的望远镜之一，完成这项实验绝对是必不可少的。“ALMA将灵敏度提高了近10倍，”Doeleman说。

接下来是什么？

因此，如果每个新的望远镜在输出质量上产生如此大的差异，为什么不在网络上增加几个望远镜呢？好吧，这是计划，Doeleman说，但它并不那么容易。

“每当你添加[望远镜]时，它就会成为一个N平方的问题，”他说。再添加一个菜意味着将其连接到网络中已有的所有菜。“因此，只增加几个电台确实会增加你需要做的计算量。”

当然，这不是一个不可逾越的障碍，但它确实意味着EHT团队正在更多地关注他们的计算基础设施。目前，该计划是将大量计算外包给基于云的数据中心。“当你这样做时，几乎可以无限制地获得计算能力，”Doeleman说。

“我们相信我们可以从静止的黑洞图像转变为制作电影。”

当然，在为项目引入更多望远镜方面也存在后勤和组织方面的障碍。每个新的观测站都意味着数周，数月或有时多年的工作使其与项目兼容。每个新观察站都意味着与组织或政府的新合作。每个新的天文台都意味着有更多的科学家和工作人员来管理它。协调所有这一切并不容易。

但它是值得的，Doeleman说，如果它意味着所有天文学中最神秘物体的图像更清晰。随着更多的望远镜，我们可以获得更好的照片，最终我们将能够实现Doeleman的最终目标：实时视频。

“我们相信我们可以采取下一步措施，从静止图像转向制作黑洞电影，”他说。“我们觉得没有任何后勤问题会妨碍我们在未来十年内这样做。”

在20世纪20年代后期的某个时候，我们或许能够观看一个围绕比我们整个太阳系更大的黑洞旋转的气体云的视频，移动得如此之快，它们被激活成等离子体，因为它们被无情地拉进了一个地方所以密集甚至光都不能逃脱。它不仅仅是一个动画或渲染：它将是一个现场录音。

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