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美刊介绍全球首幅黑洞照片的获取方式

《台港澳文摘》2019年第6期  来源:《参考资料》2019.5.5   时间:2019/7/10   


 

美国《大众机械》月刊网站4月12日发表埃弗里·汤普森的一篇文章,题为《首幅黑洞照片的内幕》,摘要如下:

周三(10日),事件视界望远镜(EHT)计划的科学家们公布了有史以来的首幅黑洞照片。照片本身令人惊叹,而科学家们利用人类智慧拍出黑洞照片的丰功伟绩更令人无比赞叹。

事件视界望远镜计划是四个位于不同大陆的八个望远镜天文台之间的合作项目,通过存储在数以千计个硬驱上的最先进的传感器和原子钟组合收集数据,然后运送到麻省理工学院和德国波恩的计算机簇,再通过复杂的算法进行分析整合,形成本周早些时候公布于世的单一影像。

这种项目需要数以百计的人员进行大量合作才能完成。下面就是他们完成照片的方式。

望远镜修正

或许,事件视界望远镜计划最困难的一面就是首先要协调所有望远镜进行合作。对一位普通天文学家来说,哪怕只确定一架望远镜的观测时间都是相当困难的;而要让六架以上的望远镜在同一时间进行观测则需要大量协商。

事件视界望远镜计划首席科学家谢泼德·德尔曼说,有利的是,研究团队已经获得了2008年的一幅概念验证图像,显示这种实验是可能的。德尔曼说:“一旦人们看到我们的技术确实可行,一旦人们看到我们可能借助望远镜进行杰出科研,那么人们就愿意让我们使用他们的其它望远镜。”

但是,仅仅获得一些观测时间并不是事件视界望远镜计划的全部必要条件。团队拥有一批配备了不同装备并具备截然不同能力的望远镜,因此很多设施需要升级或修正。德尔曼说:“某些(天文台)需要进行特定修正才能与我们的设备合作。因此,我们不仅要请求人们使用他们的望远镜,而且还必须要求进入天文台,对他们的望远镜进行特定的修正。”

他说:“我们不得不说服所有天文台,让他们相信我们所要进行的科研非常值得,这样他们才会允许我们进入天文台,在内部一些敏感之处到处搜寻。”

有些情况下,事情可能非常简单,只是安装一些额外的设备。其它时候,天文台需要新传感器、新摄像机和新的图像处理硬件,才符合基本要求。智利阿塔卡马大型毫米波天线阵(阿尔马)花了6年时间、进行了一系列谈判才接受了所有必要的升级。

德尔曼说:“我们不得不花了6年时间才搞出一套系统,用电子方式将此处全部60个信号接收盘的信号整合成仿佛只有一个接收盘。我们前往阿尔马,告诉他们我们想做什么。他们说‘这种设计侵害太大,触动我们设施的部件太多,所以干脆建一个简单点的’。所以我们又重新设计,想出了一套不同的办法。”

数据超载

鉴于事件视界望远镜计划研究团队收集和使用数据的方式,对望远镜进行升级更新就非常重要了。研究团队观测的黑洞远在5300万光年之外,在天空中只是一个微小的难以观测到的小点。单一一架望远镜不可拍到它,因此团队需要将所有望远镜的光线聚合成一个单一影像。

当然,这方面面临的问题是,这些天文台相距万里。天文学家必须收集这些望远镜的光线,然后漂洋过海整合这些光线,同时不能丢失任何数据。实际上,他们就是这么做的。

在这8个天文台,事件视界望远镜计划研究团队在每一个天文台都安装了摄像机和超高清晰原子钟。在观测期间,科学家们记录下入射光信号以及接收到信号的精确时刻,所有信息都记录在硬盘上,然后运送到麻省理工学院和波恩的计算机簇。

德尔曼说:“事实证明,互联网速度太慢,难以传送我们的所有数据。如果用互联网传送,我们2017年4月在南极记录的所有数据需要大约25年时间才能到达。”

相反,硬驱可以装载到卡车和飞机上,或亲手送到数据中心,然后在超级计算机上用凯蒂·博曼研究的算法进行处理。接下来,利用原子钟的时间戳排列数据记录,再根据地点和地球曲率等因素进行调整。

德尔曼说:“问题是,必须拥有足够的计算结构才能同时处理所有记录。而这些记录都是非常高的带宽。所以,你记录了很多很多不同的频率,处理这些……确实需要一组计算机。”

但是,最终结果是一幅远比我们用一台望远镜——不论有多大——所获得的图像都更为清晰的图像。将8个天文台的所有数据整合成一幅图像,事件视界望远镜计划研究团队创造了一个相当于整个地球大小的一架望远镜,每增加一个天文台,望远镜就变得更大更灵敏。

这就是为什么花在阿尔马的6年时间如此重要的原因。阿尔马是世界上最大的一架望远镜,绝对是完成此次实验必不可少的设备。德尔曼说:“阿尔马帮助我们提高了近10倍的灵敏度。”

下一步是什么?

那么,如果说新望远镜可以大大提高输出信号的质量,那为何不给这套网络增加数台望远镜呢?德尔曼说,这正是计划所要做的,但并不那么容易。

他说:“每当增加(望远镜)信号接收盘时,那就变成了N平方问题。”增加一个接收盘意味着它要与已经入网的所有接收盘连接。“因此,仅仅增加几个接收盘确实增加了需要进行的计算总量。”

当然,这并非不可克服的障碍。不过,它的确意味着事件视界望远镜计划研究团队需要关注更多计算基础设施。目前的计划是将大量计算外包给云计算数据中心。德尔曼说:“这样一来,你就拥有了几乎无限的计算能力。”

当然,增加更多望远镜还牵扯到后勤和组织机构问题。每增添一个新的天文台都意味着要工作数周、数月、有时甚至是数年时间,才能将它融入计划;意味着要与组织机构或政府进行新的合作;意味着增加科学家和工作人员负责管理。协调这些并不容易。

但是,德尔曼认为如果这意味着图像更清晰,那这一切就是值得的。增加望远镜,我们就能获得更清晰的图像,最终我们就能够实现德尔曼的终极目标:实时视频。

他说:“我们有信心更进一步,从黑洞的静态图像发展到动态影片。我们觉得未来十年不存在阻碍我们实现这个目标的后勤问题。”

21世纪20年代末的某个时候,我们或许能够观看比我们整个太阳系还要大的黑洞周围旋转的气体云的视频,它们旋转得如此之快,以至于强化成等离子体,与此同时它们被无情地拉进一个如此稠密的地方,甚至连光也逃不出去。它将不仅仅是一个动图或演示:而是现场录像。

——摘自《参考资料》2019.5.5



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