29歲女科學家凱蒂·博曼,人類第一張黑洞照片背後的功臣
2019年04月11日19:34

原標題:29歲女科學家凱蒂·博曼,人類第一張黑洞照片背後的功臣

北京時間4月10日21點,人類曆史上首張黑洞照片揭曉。事件視界望遠鏡(EHT)對於室女座星系團中超大質量星系Messier 87中心黑洞的觀測,終於出現在世人面前。

照片的核心區域是一個陰影,周圍環繞著一個明亮的新月狀光環。愛因斯坦廣義相對論被證明在極端條件下仍然成立。 ​

“那個光環非常巨大。我們能夠看到這個光環和它的尺寸,比以往的觀測方法更進了一步。但我們得到的只是這一團模糊的東西。即使我們已經預測到,如果有一個黑洞,你就能看到這個光環,我們還是不知道怎樣從這個光環里瞭解更多。這隻是一個開始,我們得到了一個新的窗口,讓黑洞來告訴我們更多,來進一步瞭解我們的物理法則。”科學家凱蒂·博曼(Katie Bouman)在接受《自然》採訪時說。這位年僅29歲的年輕女科學家提出了一種新算法,它正是此次黑洞照片成功拍攝的關鍵。

凱蒂·博曼

三年前,博曼領導的小組開始開發一種新的計算機算法,這種算法最終幫助成功捕捉了M87星系中心的巨大黑洞以及它的陰影。當時的博曼還是麻省理工學院的一名研究生,研究方向是計算機科學和人工智能,並不是天體物理學。

黑洞極其遙遠而緻密,為它拍照是一件非常艱難的事。此外,按照黑洞的定義,它們應該是隱形的,儘管當它接觸到周圍的物質時會產生一道陰影。為了拍下黑洞的照片,EHT通過國際合作,使用一種名為干涉測量法的技術,蒐集了來自全球的共計五千萬億字節的數據——這相當於長度為5000年的MP3文件,或者“四萬人一生中的全部自拍數據”,儲存這些數據的硬盤重達半噸。如何將這些龐大的數據轉化為圖像?這為計算帶來了前所未有的艱巨挑戰。

為瞭解決這一問題,凱蒂·博曼帶領她的團隊提出了一種圖像算法。這種算法可以濾掉因大氣濕度等原因引起的噪聲和其他雜亂信息。博曼和她的團隊使用了三種不同的代碼流水線,最終成功把所有的數據都拚在一起,轉變成為了一張可以理解的圖片。

“我們使用了各種方法來合成數據,並且採用了不同的算法來盲測,想讓它生成一張圖片。”博曼在接受CNN採訪時如是說道。

“我們需要的不僅僅是開發一種算法。我們需要基於種種不同的假設,開發很多種不同的算法。如果所有這些算法最後生成的結果都大概相同,我們才能大致確信。”博曼強調說。

凱蒂·博曼

凱蒂·博曼在美國印第安納州長大,早在高中時代就與普渡大學的教授一同做過圖像方面的研究。2007年,身為一名高中生的她第一次瞭解到EHT這一項目。

本科階段,博曼在密歇根大學學習電子工程,2011年以優異成績畢業;而後她在麻省理工學院取得了電子工程專業的碩士和博士學位。她曾是麻省理工學院的海斯塔克天文台的成員,後來又以博士後的身份加入哈佛大學的事件境界望遠鏡圖像處理團隊。2016年,她在TED上發表了演講,向公眾普及如何為黑洞拍攝照片,解釋了她用於此項目的算法。今年秋季,她將成為加州理工學院的助理教授。

“博曼是圖像小組的關鍵人物。”文森特·費什說。他是麻省理工學院海斯塔克天文台的一名科學家。

“凱蒂為我們的圖像組貢獻了一種思路,即它們都是自然圖像。”費什說,“可以把它們當作你用手機鏡頭拍攝的照片,它們有著相似的性質。如果你能確定一個像素,就可以很好地猜測到旁邊一個像素是怎樣。”

費什表示,以博曼為代表的年輕成員對這一項目做出了巨大的貢獻。當然資深科學家同樣也貢獻很大,但是圖像處理部分主要是由年輕研究者負責的,他們大多是研究生和博士後。

“沒人能獨立完成這項工作。”博曼說,“它的成功歸結於來自不同背景的許許多多的人。”

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