#文章僅代表作者觀點(diǎn),未經(jīng)作者許可,禁止轉(zhuǎn)載,不代表IPRdaily立場(chǎng)#
來源:IPRdaily中文網(wǎng)(iprdaily.cn)
作者:影晞
原標(biāo)題:事件視界望遠(yuǎn)鏡+“啁啾”=黑洞照片!揭秘黑洞照片背后的神秘之手!
人類歷史上的第一張黑洞正式面世,這張拍了5天,用了兩年成像的的照片背后有何神秘隱情?今天就和小編一起解密這張偉大照片背后的神秘之手!
北京時(shí)間2019年4月10日晚9:00,注定將成為一個(gè)被歷史銘記的時(shí)間。在美國華盛頓、中國上海和臺(tái)北、智利圣地亞哥、比利時(shí)布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京將同時(shí)召開新聞發(fā)布會(huì),公布人類歷史上“第一張黑洞照片”。而這張來自黑洞的照片迅速刷屏朋友圈,登頂微博熱搜。黑洞,這個(gè)早在1916年就出現(xiàn)的名詞,不是藝術(shù)作品,不是想象圖,更不是模擬圖,而是以其真身亮相于大眾面前。這張人類首次拍攝到的黑洞照片,來自M87,其距離地球5500萬光年,質(zhì)量為太陽的65億倍。關(guān)于黑洞的知識(shí)呢各大媒體都有普及,小編就不詳細(xì)介紹了。(還不懂得朋友指路“央視新聞”微博:“九句話看懂黑洞”)。
來源:EHTCollaboration
今天,我們主要來看看這張震驚了人類的照片到底是怎么拍出來的?
黑洞照片怎么拍?
首先,我們了解黑洞照片不能忽略的是望遠(yuǎn)鏡。畢竟離我們5300萬光年,不拿個(gè)放大鏡也看不清楚啊。(雖然這張圖有點(diǎn)高糊)這個(gè)“望遠(yuǎn)鏡”是由全球多國科研人員合作的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope, 簡(jiǎn)稱EHT),但實(shí)際上它并不是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡,而是8個(gè)。8個(gè)望遠(yuǎn)鏡怎么運(yùn)作呢?看圖!
因?yàn)楹诙措x地球?qū)嵲谔h(yuǎn)了,我們?nèi)绻胍桓Q黑洞全貌必須得用一個(gè)直徑超級(jí)大的望遠(yuǎn)鏡才能稍稍看清黑洞的樣子,比如和地球直徑一樣的望遠(yuǎn)鏡就足以我們看清楚了。但很顯然,我們建造不了這么大的望遠(yuǎn)鏡,所以人類的智慧在這時(shí)尤其重要??茖W(xué)家們基于“甚長基線干涉技術(shù)(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)”理論,將世界各地的望遠(yuǎn)鏡連接起來,構(gòu)建一個(gè)口徑等同于地球直徑的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡,每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡通過原子鐘準(zhǔn)確相連,同時(shí)啟動(dòng),就可以還原數(shù)萬光年以外,一個(gè)未知天體在某一時(shí)刻的真實(shí)容貌。
還不懂,讓專家給你解釋。
“假設(shè)我們能夠建造地球般大小的望遠(yuǎn)鏡,就有點(diǎn)像將地球想像成舞廳里的迪斯科旋轉(zhuǎn)球。每一面鏡子會(huì)搜集光線,然后我們能將這些影響整合成一張圖片。但是,現(xiàn)在讓我們移除大多數(shù)的鏡子,只剩下少數(shù)幾個(gè)。我們?nèi)钥稍囍线@些資訊,但是,現(xiàn)在只能看到很多“孔洞”。這些剩下的鏡子代表那些有望遠(yuǎn)鏡的地方,測(cè)量數(shù)據(jù)少之又少,甚至無法形成一張圖片。雖然我們只在少數(shù)有望遠(yuǎn)鏡的地方搜集光線,地球旋轉(zhuǎn)時(shí),我們可以獲得一些新的測(cè)量數(shù)據(jù)。換句話說,就像迪斯可球旋轉(zhuǎn)時(shí),那些鏡子也會(huì)改變位置,我們得以觀察不同面向的影像。【1】”Katie Bouman,一名麻省理工學(xué)院博士生,同時(shí)也是圖像處理科學(xué)家。她在麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)時(shí)提出了一種新的算法,過濾掉了因大氣濕度等引起的噪聲,可以精確地同步望遠(yuǎn)鏡們采集到的數(shù)據(jù),最終經(jīng)由四個(gè)團(tuán)隊(duì),使用三種不同的方式獨(dú)立分析后,得到的M87黑洞影像一致,這才公布于眾,目前Katie Bouman就職于Caltech。(下圖就是這位名叫Katie Bouman的科學(xué)家,是不是年輕又漂亮。)
圖片來自MIT CSAIL
聽起來是不是很厲害!
好了,現(xiàn)在照片“拍”好了,怎么“洗”照片呢?
“洗”照片又是一道坎
EHT項(xiàng)目收集的數(shù)據(jù)量非常龐大,半噸半噸...的硬盤被運(yùn)送到了MIT海斯塔克天文臺(tái)(Haystack Observatory),如何將EHT的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像?這給計(jì)算帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。
圖片來自Paul Coxon
為了協(xié)助拍攝黑洞第一張照片,Bouman設(shè)計(jì)了新的算法來完成黑洞照片的拍攝。Bouman將這一新算法稱作 CHIRP,也叫“啁啾”,就是“使用圖像塊優(yōu)先的連續(xù)高分辨率圖像還原”(Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors的縮寫)。
事件視界望遠(yuǎn)鏡使用了一種稱為干涉測(cè)量的技術(shù),它結(jié)合了望遠(yuǎn)鏡對(duì)探測(cè)到的信號(hào),從而使信號(hào)相互干擾。實(shí)際上,啁啾可以應(yīng)用于任何使用無線電干涉測(cè)量的成像系統(tǒng)。
通常,天文信號(hào)會(huì)在稍有不同的時(shí)間到達(dá)任何兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡。考慮到這種差異對(duì)于從信號(hào)中提取視覺信息是至關(guān)重要的,但是地球的大氣層也可以減緩無線電波的傳播,夸大到達(dá)時(shí)間的差異,并放棄干涉成像所依賴的計(jì)算。
Bouman對(duì)這個(gè)問題采用了一種巧妙的代數(shù)解:如果三臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量值相乘,大氣噪聲造成的額外延遲就會(huì)相互抵消。這就意味著每一次新的測(cè)量都需要來自三個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù),而不僅僅是兩個(gè),而且精度的提高彌補(bǔ)了信息的丟失。
即使過濾掉了大氣噪聲,從散布在全球各地的少數(shù)望遠(yuǎn)鏡獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)也相當(dāng)稀疏;任何數(shù)量的可能圖像都可以同樣很好地?cái)M合數(shù)據(jù)。因此,下一步是組裝一個(gè)既適合數(shù)據(jù)又滿足對(duì)圖像外觀的特定期望的圖像。Bouman和她的同事也在這方面做出了貢獻(xiàn)。
傳統(tǒng)上用于解釋天文干涉數(shù)據(jù)的算法假定圖像是單個(gè)光點(diǎn)的集合,并試圖找到亮度和位置與數(shù)據(jù)最匹配的點(diǎn)。然后,該算法將相鄰的亮點(diǎn)模糊在一起,試圖恢復(fù)天文學(xué)圖像的某些連續(xù)性。
為了產(chǎn)生更可靠的圖像,Chirp使用了一個(gè)比單個(gè)點(diǎn)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的模型,但仍然可以在數(shù)學(xué)上進(jìn)行處理。你可以把這個(gè)模型想象成一個(gè)橡膠板,上面覆蓋著規(guī)則間隔的圓錐體,圓錐體的高度各不相同,但底部的直徑相同。【2】
“像法庭的素描家一樣,利用有限的相貌描述以及他們對(duì)于臉部結(jié)構(gòu)的知識(shí),將表現(xiàn)相貌圖片的特點(diǎn)拼湊出來,我開發(fā)的影像演算法使用有限的望遠(yuǎn)鏡資料為我們生成這種影響:類似于宇宙中的事物的影響。利用這些演算法,讓我們能夠利用零零散散的資料拼湊出黑洞可能的樣子?!薄拔覀兡軌蜓鲑囘@樣的模擬演算法,很快地得到黑洞的第一張照片,同時(shí)也能計(jì)算‘光環(huán)’的大小。【1】”Bouman說。
誰說科學(xué)家只會(huì)說專業(yè)術(shù)語,這位科學(xué)家小姐姐講的理論就很通俗易懂,雖然只是個(gè)大概,但也能想象得到背后其實(shí)還是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算。5天的時(shí)間拍出的照片用兩年的時(shí)間進(jìn)行成像,向拍出偉大照片的科學(xué)家們致敬!
拍黑洞照片有啥用?
不過,小編還有個(gè)疑問。科學(xué)家們?nèi)绱速M(fèi)心費(fèi)力的拍出了黑洞照片僅僅是為了一窺黑洞的神秘面貌嗎?對(duì)未來探索宇宙有什么幫助?
有專家給出了答案:黑洞照片的這次的直接成像除了幫助我們直接確認(rèn)了黑洞的存在,同時(shí)也通過模擬觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論做出了驗(yàn)證。在視界面望遠(yuǎn)鏡的工作過程和后來的數(shù)據(jù)分析過程中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),所觀測(cè)到的黑洞陰影和相對(duì)論所預(yù)言的幾乎完全一致,令人不禁再次感嘆愛因斯坦的偉大。
愛因斯坦
另外一個(gè)重要意義在于,科學(xué)家們可以通過黑洞陰影的尺寸限制中心黑洞的質(zhì)量了。這次就對(duì)M87中心的黑洞質(zhì)量做出了一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量。在此之前,精確測(cè)量黑洞質(zhì)量的手段非常復(fù)雜。
受限于觀測(cè)分辨率和靈敏度等因素,目前的黑洞細(xì)節(jié)分析還不完善。未來隨著更多望遠(yuǎn)鏡加入,我們期望看到黑洞周圍更多更豐富的細(xì)節(jié),從而更深入地了解黑洞周圍的氣體運(yùn)動(dòng)、區(qū)分噴流的產(chǎn)生和集束機(jī)制,完善我們對(duì)于星系演化的認(rèn)知與理解。【3】
注:
【1】:《Katie Bouman: 如何拍攝黑洞的照片》演講
【2】:麻省理工學(xué)院新聞辦公室發(fā)表《一種黑洞成像方法——新的算法可以將全球天文測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來》(由百度翻譯軟件翻譯而來)
【3】:科普中國出品《人類首張黑洞照片為啥高糊?一文權(quán)威解答你最關(guān)心的8個(gè)黑洞問題》
來源:IPRdaily中文網(wǎng)(iprdaily.cn)
作者:影晞
編輯:IPRdaily王穎 校對(duì):IPRdaily縱橫君
推薦閱讀(點(diǎn)擊圖文,閱讀全文)
開年重磅!尋找40位40歲以下企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)精英(40 Under 40)
中國優(yōu)秀知識(shí)產(chǎn)權(quán)律師榜TOP50評(píng)選征集啟動(dòng)(附自薦通道)
2019粵港澳大灣區(qū)“高價(jià)值專利培育布局”大賽最全攻略!
“投稿”請(qǐng)投郵箱“iprdaily@163.com”
「關(guān)于IPRdaily」
IPRdaily成立于2014年,是全球影響力的知識(shí)產(chǎn)權(quán)媒體+產(chǎn)業(yè)服務(wù)平臺(tái),致力于連接全球知識(shí)產(chǎn)權(quán)人,用戶匯聚了中國、美國、德國、俄羅斯、以色列、澳大利亞、新加坡、日本、韓國等15個(gè)國家和地區(qū)的高科技公司、成長型科技企業(yè)IP高管、研發(fā)人員、法務(wù)、政府機(jī)構(gòu)、律所、事務(wù)所、科研院校等全球近50多萬產(chǎn)業(yè)用戶(國內(nèi)25萬+海外30萬);同時(shí)擁有近百萬條高質(zhì)量的技術(shù)資源+專利資源,通過媒體構(gòu)建全球知識(shí)產(chǎn)權(quán)資產(chǎn)信息第一入口。2016年獲啟賦資本領(lǐng)投和天使匯跟投的Pre-A輪融資。
(英文官網(wǎng):iprdaily.com 中文官網(wǎng):iprdaily.cn)
本文來自IPRdaily中文網(wǎng)(iprdaily.cn)并經(jīng)IPRdaily.cn中文網(wǎng)編輯。轉(zhuǎn)載此文章須經(jīng)權(quán)利人同意,并附上出處與作者信息。文章不代表IPRdaily.cn立場(chǎng),如若轉(zhuǎn)載,請(qǐng)注明出處:“http://m.jupyterflow.com/
#晨報(bào)#涉及5款產(chǎn)品!德國法院裁定HTC侵犯日亞化專利;稱播出“軍師聯(lián)盟”未落入優(yōu)酷著作權(quán)保護(hù)范圍,咪咕上訴至法院
天津網(wǎng)信辦連夜約談視覺中國:立即停止違法行為,全面徹底整改!
文章不錯(cuò),犒勞下辛苦的作者吧