一張照片耗時5年，什么使黑洞照片如“沖洗”此艱難

日前，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織在包括上海在內的全球各地同時召開新聞發布會，向公眾展示了銀河系中心超大質量黑洞的首張照片。

與三年前首張黑洞照片類似，這張照片又是簡簡單單的一個橙色光暈，可“拍照”和“沖洗”照片的過程卻一波三折。為此，來自全球80個研究機構共300多名研究人員（其中有來自中國7家單位的17位天文學家）花費大量精力、開發新的復雜工具，最后通過將數千張使用不同計算方法得到的最優圖像平均起來，生成了最終圖像。

科學的結果，簡潔而美麗。探索的過程，卻充滿曲折與艱辛。本報特邀參與這張照片成像的上海科學家，分享銀心黑洞成像背后的故事。

▲銀河系和銀河系中心黑洞的圖像。（圖片版權屬于事件視界望遠鏡合作組織2022和鄭興武&馬克·里德2019）

日前，銀河系中心超大質量黑洞的首張照片亮相。可能在公眾看來，又是一個橙色光暈，只是與M87黑洞的那張形狀略有不同。但這張照片成像之復雜和艱難，卻很少為人所知。打個通俗的比方，這次成像相當于拿手機給正在旋轉的煙花拍照，每次拍出來的圖案效果都不一樣。雪上加霜的是，拍照的手機還不帶防抖功能。

這幾年，給黑洞“沖洗照片”的團隊來自全球各地。在“沖洗”工作啟動之時，可能誰也沒有想到，這個過程會如此反復、難度如此之大。有人中途退出，有人始終堅守，慶幸的是，最終得到了一個大家都認可的結果。

實際上，5月12日在線發表的這一系列論文，并非今年才啟動撰寫，有的論文已于幾年前完成初稿，就等著成像的最終結果。在這一系列論文中，黑洞成像的論文最先被審稿人和期刊接收，也算沒有枉費在這曲折過程中付出的智慧和汗水。

銀心黑洞的整個成像過程究竟有多復雜？僅舉一例，單單照片“沖洗”工作，就有四個不同的算法工作組參與，而最終照片是由所有“合格”的照片平均而成。“沖洗”照片主要經歷了五個階段，每個階段都有各自的特點。由于篇幅所限，筆者在此只談及我們參與的其中一個工作組——“潔化”工作組（CLEAN）的體會。

第一階段

反復成像，意外得到“百變”結果

2019年4月10日，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織正式發布人類捕獲的首張黑洞照片——室女座星系M87中心超大質量黑洞的照片。隨后，EHT合作組就著手處理同期觀測的另一個重要目標——我們人類所在銀河系的中心。

科學需要嚴謹和求真。雖然已有多項間接證據暗示銀河系中心存在一個超大質量黑洞，但當時天文學家還不能完全肯定那個神秘天體就是黑洞，甚至與之相關的2020年諾貝爾物理學獎給出的獲獎理由也只說“發現銀河系中心的超大質量致密天體”。

受到第一張黑洞照片的鼓舞，大家都希望一鼓作氣，將銀河系中心這個人們期待已久的天體照片呈現出來，畢竟這是我們自己所在的星系。

起初，大家還是按照黑洞首張照片時的工作模式，先在各個工作組內部獨立成像，以提高成像結果的確信度。于是，在拿到觀測數據后，大家就開始各顯神通。但很快問題就來了——這次和首張黑洞照片成像的感覺完全不同，最令人感到迷惑的是，若反復成像幾次，每次沖洗出來的照片都不一樣。

于是工作組匯總了大家的問題，請前期數據校準的同行再仔細檢查數據，并計劃第二輪的成像工作。

▲參與EHT2017項目的全球望遠鏡

第二階段

環狀初現，姿態卻各不相同

大約經過了兩三個月的仔細審查和更新，包括更嚴格的數據校準，成像工作組再一次拿到了數據，但令人灰心的是，圖像仍是千姿百態。

筆者還記得，在每周的成像工作內部討論會上，各工作組給出的圖像各式各樣：匯聚的、延展的，亮斑朝上、朝下、朝左、朝右的都有……那時，各工作組已開始嘗試選取不同的成像控制參數，看看最優圖像是否一致。結果顯示，差不多一半以上工作組能得到環狀結構圖像。

但所有人都知道，這對科學來說是沒有說服力的。所以，在內部討論會上，大家更多的是沉默。事實上，其他成像工作組也碰到了同樣的問題，大家不禁對這次成像能否成功心生憂慮。

如此反復了幾周以后，大家認為，有必要開展更大范圍的參數選擇和優化。于是，成像工作由單人花半天到一天工夫處理一幅圖像的工作模式，轉換到使用超級計算機的工作模式。

第三階段

超算加盟，承擔更多“沖洗”任務

為了有效記錄“沖洗”照片的進展，工作組的小伙伴都會在一個共享工作簿上更新工作分工。回看工作簿上的統計記錄，不難發現，不少工作都是利用上海VLBI天文處理平臺的超級計算機完成的。

其實，在第二階段后期，我們所在的團隊已經調試好了上海VLBI天文處理平臺的超級計算機，利用它來完成快速成像工作。與同行用個人電腦進行成像處理相比，超級計算機的處理速度確實要快很多。所以，第二階段每次提交結果時，我們總能最先完成。很快，成像工作組的協調人就來聯系，請團隊分擔更大參數范圍的成像處理任務。

當時，這個超算平臺正承擔著“中國天眼”望遠鏡（FAST）、VLBI測試、以及一些常規處理任務，但想到銀心成像工作的重要價值和意義，上海天文臺一口應承了下來。

▲EHT觀測室的天文學家們。（上海天文臺供圖）

說實話，堅持真的非常不容易。每次都需要生成幾萬張圖像，然后反復優化，而且出于進度需要，我們還得不時檢查運算是否正常。最忙的時候，天文臺400核的超級計算機每天不間斷地運算，往往剛處理完全部結果，每周討論的時間就到了。

為了使結果盡量嚴謹，在剛開始的階段，還要檢驗不同計算機的處理結果是否一致。結果發現，平臺處理出來的4000張測試照片中，有7張與其他計算機的處理結果存在差異。為此，團隊花了一個周末的時間，拉著平臺供應商查找問題。最后發現，由于平臺購置時間較早，操作系統與新計算機有一代之差，才導致了這約千分之二的差異。

經過進一步檢驗，這七幅圖像結果的差異也只在部分數據的小數點后六位、甚至九位以后，差異幾乎可以忽略不計，我們才放心進行后續的處理工作。

第四階段

黎明前的黑暗，工作再次陷入兩難

經過第三階段的多次迭代，成像算法越來越成熟，成像工作終于迎來一線曙光，但很快又一個難題出現了。

為了檢查生成的真實圖像是否可靠，“潔化”工作組已經同時開發了與觀測數據相似的八個不同模型的模擬數據。也就是說，如果算法及選擇的控制參數能把這八個模型都反演出來，那真實數據處理的結果就是可信的。加上該工作將由四個采用不同算法的小組分別處理，如果大家都能得到同樣的結果，那出錯的概率就微乎其微了。

事實上，大家這時都基本確定，從真實數據成像是可以得到環形結構的。然而，工作組內部還存在一些質疑的聲音，因為仍有一個模型的模擬數據無法用之前辛苦優化好的參數予以恢復。這個模型被稱作“點高斯模型”，它的模擬數據與觀測數據相似，對應的是一些同行曾得到的匯聚結構。

“為了將點高斯模型成功囊括進來，就需要擴展算法的控制參數。”在一次討論會上，我們很高興地報告了這個發現。接下來，更棘手的問題出現了，這些擴展的控制參數只對點高斯模型有用，卻無法有效重構出其他模型的模擬數據——工作似乎陷入了兩難。

最終階段

峰回路轉，銀心黑洞“首照”終成

好在辦法總比困難多。VLBI數據處理的難點在于校準，因為每臺望遠鏡的性能和實時觀測條件都不一樣，要恢復出真實的信號信息，有如大海撈針。幸運的是，VLBI數據中還存在一種觀測量，專業術語稱之為“閉合相位”，它能反映天體的結構信息且獨立于臺站校準。于是，工作組進一步提出用閉合相位校準得到的模型作為初始模型輸入，不再按常規做法去選取固定的幾何模型。

就在這時，更大的超算平臺加入了這項工作，很快使所有模型和真實數據都得到了有效恢復，這種方法也在同行中達成了共識。最后，當工作組將能重構所有模型的算法及參數用到銀心數據上時，發現得到的圖像95%以上都呈環形結構。雖然不同環狀存在亮度在方位分布的差異（主要與銀心的短時標變化有關），工作組最終通過聚類分析生成了向公眾公布的銀心黑洞首張照片。

▲銀河系中心黑洞的首張照片的制作過程。（EHT合作組織供圖）

還有一個細節是，工作組開發了自動識別算法來區分環狀結構和非環狀結構，讓EHT成員每人人工完成2000張照片的分類，用來比較機器算法和人工區分是否存在明顯偏差。統計數據表明，算法和人工的相似度達到92%以上。

后記

于2014年底建成的上海VLBI天文處理平臺，在過去八年中，一直承擔國內和國際的VLBI天文觀測數據處理。

通過這個平臺，科研人員得到了上海65米天馬望遠鏡的第一個VLBI高頻干涉條紋，促成了東亞VLBI網的組網成功和對外開放；獲得了“中國天眼”望遠鏡第一個VLBI干涉條紋，并承擔了后續的測試處理任務；還獲得了東亞230GHz組網觀測的首個干涉條紋。

同時，上海VLBI天文處理平臺還是國內第一次向國際測地服務組織提供初級產品的處理機平臺。至今，它幾乎收集和處理過來自全球各個射電望遠鏡、各種觀測波長和各種觀測類型的數據，處理的原始數據超過5PB（相當于500萬部電影，至少要幾百年才能看完），處理的數據結果發表在各領域的高水平期刊雜志上。

這次處理銀心黑洞的成像數據，算是上海VLBI天文處理平臺的一次“兼差”，同樣得到了國際同行的認可。在此次系列論文的致謝里，均提到了這個老驥伏櫪的平臺。

我們一直相信科學是簡潔而完美的，但也深知VLBI科學發現受限于觀測設備，后期數據處理的難度與陣列的完善度成反比。我們也欣喜地看到，EHT仍在不斷擴展和進行技術革新，也堅信借助于我國優良的臺址條件，國內的觀測設施一定能早日建成并發揮其獨特的作用。

>>>銀心黑洞首照Q&A

Q：給銀河系中心黑洞拍照的意義是什么？

A：過去幾十年，人們一直懷疑銀河系中心的大質量致密天體是一個巨大的黑洞，卻沒有直接證據。這張照片給出了銀河系中心超大質量黑洞Sgr A*（人馬座A*）真實存在的首個直接視覺證據，系列論文以特刊形式發表于《天體物理學雜志通信》。

Q：銀心黑洞的照片是怎么拍攝的？

A：這張照片由事件視界望遠鏡（EHT）合作組織，通過分布在全球的射電望遠鏡組網“拍攝”而成。EHT是由分布在地球上的八個射電望遠鏡組成的、一個等效于地球般大小的虛擬望遠鏡。這張照片是EHT團隊從Sgr A*的2017年觀測數據中提取出的不同照片平均而成。

Q：為何銀心黑洞離地球近，但拍攝卻比M87中央黑洞更困難？

A：2019年發布的人類第一張黑洞照片M87中央黑洞，距離地球5500萬光年，而銀心黑洞距離地球僅約2.7萬光年。銀心黑洞看似離地球近，但其“個頭”比M87中央黑洞小了1500倍。

因此，銀心黑洞周圍的氣體繞銀心黑洞轉一圈只需幾分鐘。這意味著，它被觀測時，周圍繞轉氣體的亮度和圖案也在時刻快速變化——有點像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍一張清晰照片。而M87中央黑洞相對比較靜態，更容易拍得清晰的照片。

為了獲得成像數據，EHT對Sgr A*開展了多個晚上的觀測，每次連續采集好幾個小時的數據。研究人員也花費大量精力，開發新的復雜工具來為其成像。

Q：未來，EHT是否還會拍攝到更高清的黑洞照片？

A：EHT的觀測研究腳步從未停止。今年3月，EHT剛完成了有更多望遠鏡參與的聯合觀測。EHT的持續擴展和技術革新將使科學家可以分享更引人注目的照片，包括黑洞“電影”。

拍攝一部銀河系中心黑洞的“電影”，是下一代EHT的追求。我國正在規劃建設中的亞毫米波VLBI望遠鏡，在建成后也將可能參與到對Sgr A*的24小時不間斷的接力觀測中。