给黑洞“洗照片”的女博士：26岁开发关键算法，分析的数据塞满半吨硬盘

凯瑟琳·布曼带头开发的“CHIRP“算法整合了分布在世界各地 8 个天文台的数据，让“地球一样大的望远镜”真正成为可能，推动了人类历史上首张黑洞照片的诞生。

布曼看到黑洞照片的惊喜瞬间。图片来源：Katie Bouman/Facebook

撰文 戚译引

昨夜，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）公布了人类历史上第一张黑洞照片，吸引了全世界的关注。“冲洗”这张照片的关键人物也终于走到了聚光灯下，她是凯瑟琳·布曼（Katherine Bouman），今年 29 岁，刚刚进入加州理工学院（California Institute of Technology）任教。

寻找“月球上的葡萄”

六年前，布曼还是麻省理工学院（MIT）的一名研究生，主攻计算机视觉方向。在《华盛顿邮报》（Washington Post）的采访中，布曼说：

“当时我几乎连黑洞是什么都不知道。但我参加了一个会议，谢普·多尔曼（Shep Doeleman，哈佛大学天文学家，EHT 项目总负责人）在会上谈到了黑洞。我不太明白他在说什么，但是当会议结束离场的时候，我知道这就是我想做的事情。”

布曼感兴趣的是如何将肉眼不可见的东西变得可见，甚至对其进行测量，这个项目完全吸引了她。

然而，黑洞离地球非常遥远，又十分致密，这为观测带来了巨大的困难。银河系中央的黑洞距离地球 24000 光年，在地球上观测它“就相当于观测月球上的一颗葡萄”；而这一次获得的黑洞照片来自巨椭圆星系 M87 中心，距离地球足有 5500 万光年。

具体而言，观测黑洞的困难之处或许可以概括为“噪声太多，数据太少”。首先是观测上的干扰因素，远至宇宙中的星体与尘埃，近至地球上大气的扰动，都有可能对观测数据造成影响；其次，由于数据点少而分散，这导致许多不同的图像都可能符合数据，研究人员要设法从中选出“正确”的那一张。

此外，研究团队还要考虑时间差异。EHT 的 8 台望远镜分布在世界各地，黑洞发出的信号到达这些望远镜的时间略有不同，并且地球大气层也会减慢无线电波的速度，进而放大信号到达时间的差异。为了尽可能精确地记录时间，各个天文台都使用了原子钟。

8 架射电望远镜或干涉阵参与了此次观测。图片来源：环球科学

开发创新算法

为了解决这些问题，布曼对数据处理的方法进行了改进，并开发了全新的算法。

EHT 的观测方法称为干涉测量技术（interferometry），就是将不同望远镜探测到的信号一对对结合起来，让信号之间发生干涉。而布曼提出，在每次测量中同时使用来自 3 台望远镜的数据（而不是传统上的 2 台），以更好地抵消大气干扰带来的数据延迟，同时提升图像的精确度。

在天文学中，传统的算法假设图像是一个个光点的集合，并寻找亮度与方位与数据最为吻合的光点；接下来，算法将相邻的光点进行模糊处理，使它们融为一体，生产连续的天体图像。而在布曼带头开发的算法中，图像的基本单位不是光点，而更像是一个个小圆锥体，其直径相同而高度不同，规律地排列在一个表面上。数据的变化体现在圆锥的“高度”上，最后再想象给这个高低起伏的表面包上一层塑料膜，就得到了一个相对光滑的表面，一张连续的图像。

2016 年，布曼团队开发的算法“CHIRP”诞生了。CHIRP 意为“用块先验进行连续高解析度图像重建”（Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors）。它不仅能用来构建黑洞图像，也适用于其他使用无线电干涉测量技术的任何系统。

“洗”出黑洞照片

2017 年 4 月，来自全世界的天文学家、工程师和数学家操作8台望远镜，用 5 天时间完成了观测。接下来，观测数据被送到包括布曼在内的三十多位计算机科学家手上，开始了漫长的“冲洗”。因为数据量过于庞大，无法通过网络传输，只能被装在硬盘里进行邮寄，这些硬盘加起来足有半吨重。

布曼和装满数据的硬盘。图片来源：Twitter@floragraham

为了避免主观判断造成的偏差，EHT 将计算机图像团队分成四个相互独立的小组，用不同类型的算法生成图像，团队之间不能交流。布曼说：“这有点像将同一段描述交给来自天南地北的三个画家，如果他们都画出了一张非常相似的面孔，那么我们就可以确信这张照片是客观的，他们没有将自己的文化差异带到作品中。”

具体而言，研究团队采用一个庞大的图片集，将其分割成许多碎片。他们从中选出出现频率最高的碎片，像拼图一样拼在一起，并根据已经确定的像素预测相邻的像素，最终得出一张符合观测结果的照片。

过了一年时间，在麻省剑桥市的一次会议上，四个团队才聚在一起，展示了各自生成的图像。布曼回忆：“那可能是我在整个项目中所经历的最激动人心的一刻。看到我们都构建出了这个环状结构，我意识到那是一个极其稳定的特征。”

尽管如此，布曼等人还要暂时保守这个秘密。在接下来的一年中，他们对图像进行了反复验证，确保它没有受到主观预测的干扰，最终才将它公之于众。

不再隐藏的女性

黑洞照片公布之后，MIT 计算机科学与人工智能实验室（MIT CSAIL）发布了两张照片，一张是布曼与硬盘的合影，另一张是布曼的前辈，玛格丽特·汉密尔顿（Margaret Hamilton）。

汉密尔顿同样毕业于 MIT，在阿波罗登月计划中编写了大量程序，成功将阿姆斯特朗和奥尔德林送上了月球。但是在那个年代，作为一名女性，她的贡献没有得到应有的重视。

图片来源：Twitter@MIT CSAIL

或许是受到这张照片的启发，人们发起了话题 #WomenInSTEM，回忆那些曾经被忽视的女性。除了汉密尔顿之外，还有拍摄了 DNA 晶体 X 射线衍射结构的罗莎琳·富兰克林（Rosalind Franklin），化石研究先驱玛丽·安宁（Mary Anning，婚后改姓 Mantell）……

很幸运，这样的事情没有在布曼身上继续发生。借用美国议员亚历山德里亚·奥卡西奥·柯蒂兹（Alexandria Ocasio-Cortez）的一句话：

“在历史上拥有你应得的位置吧，布曼博士！”

图片来源：MIT

参考资料

1. https://www.sciencealert.com/this-29-year-old-computer-scientist-helped-bring-us-the-first-image-of-a-black-hole

2. https://heavy.com/news/2019/04/katie-bouman/

3. https://news.mit.edu/2016/method-image-black-holes-0606

4. https://www.ted.com/talks/katie_bouman_what_does_a_black_hole_look_like?language=en

5. https://www.theguardian.com/science/2019/apr/10/black-hole-picture-captured-for-first-time-in-space-breakthrough

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