人類首張黑洞照片幕後英雄：29歲女算法工程師

北京時間 4 月 10 日 21 點整，天文學家在華盛頓、布魯塞爾、聖地亞哥、上海、臺北和東京同步召開了全球新聞發佈會，宣佈人類首次拍攝到黑洞的照片。這是天體物理學里程碑式的成就。這一刻，全世界大大小小的屏幕都被這張照片霸屏了。在此之前，黑洞被認爲是“不可見”的，那這張照片是如何被拍到的呢？

據瞭解，這張照片背後的幕後英雄，是加州理工學院的助理教授，同時是哈佛-史密森天體物理中心的美女博士後研究員 Katie Bouman 及其團隊，通過 8 座被稱爲事件視界望遠鏡的特殊設備，這張引起全球轟動的照片才得以問世。

人類首張黑洞照片

我們有幸見證了這一歷史時刻。爲什麼這麼說呢？因爲要給黑洞“拍照”非常非常難，由於黑洞的性質，幾十年來，黑洞引發了公衆無數遐想，但就是沒有人知道黑洞的真面目。正是這個原因，人類首張黑洞照片才受到公衆的高度關注。

其實給黑洞拍照，是非常困難的事情，上一代人曾認爲不可能做到。因爲黑洞本身就是一個宇宙的陷阱，光和物質都無法從中逃脫，因此它是不可見的。但科學家可以追溯到光子消失的“視界”。

人類成功拍攝到首張突破性的黑洞照片（5500 萬光年外的室女 A 星系（M87）中心的黑洞），是由事件視界望遠鏡（Event Horizon telescope，EHT）拍攝，這是一個由八個毫米 / 亞毫米波射電望遠鏡組成的網絡，橫跨南極洲、西班牙、智利，全球共有 200 多名科學家參與其中。

事件視界望遠鏡項目

爲了觀測黑洞視界邊緣上的物理過程，哈佛-史密森天體物理中心博士後研究員 Katie Bouman 帶領的科學家團隊成立了一個項目，動用分佈在全球的八個毫米 / 亞毫米射電望遠鏡，將這些望遠鏡組成一個虛擬的、口徑接近整個地球的望遠鏡，這個虛擬的望遠鏡就稱爲“事件視界望遠鏡”。

事件視界望遠鏡項目能夠取得成功，取決於同時在幾塊大陸上的晴天和八個遙遠的團隊之間的精密協調。項目使用稱爲氫脈澤（hydrogen masers）的原子鐘來協調不同地點的觀測，這個原子鐘精確到每 1 億年誤差一秒鐘。2017 年 4 月的一個晚上，這八個射電望遠鏡所在地的天氣情況特別好，創造了極爲有利的觀測條件。倫敦大學學院 EHT 合作成員 Ziri Younsi 對此說過：“太幸運了我們！天氣非常好！”

EHT 依賴於干涉測量技術，這有點像通過試圖通過在池塘邊緣放置探測器來測量發出的漣漪來重建扔進池塘的石頭。與此同理，EHT 將來自八座望遠鏡的信號組合起來，通過計算機輸入，才能將一堆難以理解的光點轉換成視覺圖像。

那麼問題來了，這個項目收集的數據量如此之大，僅一個晚上，EHT 生成的數量也達到了前所未有的水平，高達 5PB，約合 5242880GB。現在一般普通電腦硬盤是 500GB，那麼 EHT 生成的 5PB 數據，需要一萬塊 500GB 硬盤才能裝滿，而這一萬塊硬盤就達半噸之重。

如此海量的數據是無法通過互聯網傳輸的，只能放到硬盤中，由研究人員親自坐飛機帶到美國和德國的研究機構，利用超級計算機將原始數據合成爲我們所看到的人類首張黑洞照片。

究竟要如何處理這些海量的數據才能轉換成黑洞照片呢？這就不得不提到幕後的女英雄：Katie Bouman。

黑洞照片的幕後英雄

Bouman的新算法立大功

如果沒有 Katie Bouman 的努力，人們很可能無法一睹黑洞的真面目。

要將 EHT 產生的海量數據轉換成圖像的關鍵之一是，需要開發一種新的、複雜的算法。這些算法不僅需要將數據組合起來，還需要濾除由大氣溼度等因素引起的噪聲，因爲噪聲會使無線電波產生扭曲。還需要逐波精確同步遠距離望遠鏡捕獲的信號。但是，EHT 收集來的數據仍然有很多地方需要填補。

時代造就英雄。

當時 Katie Bouman 還是麻省理工學院計算機科學和人工智能的研究生。她提出了一種新的算法，將通過 EHT 網絡收集的數據拼接在一起。這種算法最終幫助捕獲到這張獨一無二的照片：超大質量黑瞳及其位於 M87 星系中心的陰影。

Bouman 提出算法後，進行了一系列精心設計的測試，旨在確保 EHT 的圖像不是某種形式的技術故障或僥倖造成的。在一個階段中，這包括將協作分成四個獨立的團隊。這些團隊獎獨立地分析數據，直到他們對自己的發現有信心爲止。

前面說過，EHT 收集到的數據仍然有很多空白，這就是 Bouman 的算法以及其他幾個算法的用武之地。利用 Bouman 的算法，研究人員創建了三個腳本代碼管道來拼合圖像。

研究人員收集了望遠鏡產生的“稀疏而嘈雜的數據”，試圖將其轉換成視覺圖像。在過去幾年裏，Bouman 指導了圖像的驗證和成像參數的選擇。

Bouman 告訴 CNN：“我們開發了生成合成數據的方法，使用了不同的算法進行盲測，看看能否恢復成圖像。我們不想只開發一種算法。我們想要開發許多不同的算法，這些算法都有不同的假設。如果它們都恢復了相同的總體結構，那麼我們就有了信心。”

麻省理工學院 Haystack 天文臺的研究科學家 Vincent Fish 曾如此評論 Bouman：“Bouman 是成像團隊的靈魂。”他說道，“Bouman 給我們的成像團隊帶來的見解之一就是，自然圖像是存在的。想想你用手機拍的照片，它們有某些屬性……如果你知道一個像素是什麼，那麼你就可以很好地猜測它旁邊的像素是什麼。”例如，有些區域更平滑，而有且區域的邊界比較尖銳。Fish 稱，天文圖像就是這樣的，但你可以用數學的方法對這些特性進行編碼。

他補充道：“像 Bouman 這樣的初級研究員爲這個項目做出了重大貢獻。當然，也有資深科學家參與這個項目。但成像部分主要是由初級研究人員領導的，如研究生、博士後。”

Bouman 還表示：“我們中沒有人能夠獨自完成，因爲有很多來自不同背景的人，我們才走到一起。”

Bouman 曾經在 TEDx 做過演講《如何拍攝一張黑洞照片》，這場演講可訪問：
https://www.ted.com/talks/katie_bouman_what_does_a_black_hole_look_like/

在這場演講中，Bouman 討論了使用算法“從稀疏、嘈雜的數據中拼湊圖片”的挑戰。

正是她提出的算法讓各大望遠鏡收集到的數據可以“拼”到一起，這纔有了人類首張黑洞照片。

提出算法的時候，她還是麻省理工學院計算機科學與人工智能的研究生，而今年她 29 歲，是加州理工學院的助理教授。她的研究重點是利用新興的計算方法來突破跨學科成像的界限。

Bouman是何許人也？

在 Bouman 的個人網頁上，她的簡歷顯示其興趣愛好包括計算機圖像、計算機攝影、計算機視覺、圖像和視頻處理、逆問題和機器學習，教育、個人研究和實習經歷也非常豐富，讓人不禁感嘆，天才真並不是一夜之間長成的。

教育背景：

哈佛-史密森天體物理中心，美國馬薩諸塞州劍橋，2017 - 2019 年，博士後研究員
麻省理工學院，電氣工程與計算機科學專業博士，輔修腦和認知科學，2011 - 2017年
- 論文：“通過物理模型反演的極端成像：看到角落和黑洞成像”
- 顧問：William Freeman
麻省理工學院，電氣工程與計算機科學碩士，2011 - 2013年
- 論文：“通過觀察運動來估計織物的材料特性”
- 顧問：William Freeman
密歇根大學，電氣工程學士學位，輔修數學，2007 - 2011年
- 獲得麻省理工學院EE最佳碩士論文獎 Ernst A. Guillemin 論文獎（第二名）
- NSF 研究生獎學金
- Irwin 和 Joan Jacobs 總統獎學金

…衆多獎項

作品和研究經歷：

哈佛-史密森尼天體物理中心 2017 年至今
- 事件視界地平線望遠鏡的博士後項目
麻省理工學院，CSAIL 2011 - 2017
- William Freeman 博士的研究生研究助理
微軟研究院，2014 年夏季
- 由 Neel Joshi 博士指導的夏季研究實習生
微軟研究院，2012 年
- 暑期研究實習生，由 Ce Liu 博士指導
麻省理工學院林肯實驗室，2011 年夏季
- 夏季研究實習生，由 Nadya Bliss 和 Karl Ni 博士指導
高通，2010 年夏季
- 暑期研究實習生，由 Sergio Goma 博士指導

會議出版物和期刊論文作品也不少，在此不一一列舉了，截屏感受一下：

計算機科學史上的女性

Katie Bouman 的成就甚至引來了美國第一千金 Ivanka Trump 的讚賞：

Google 也十分應景，Google Doodle （Google 塗鴉）已經變成了黑洞的動畫。

《毛澤東語錄》裏面有一句聞名全球的名言“婦女能頂半邊天”。在計算機科學史上，其實就有許多尚不爲人知的傑出女性，但因爲種種原因，科學界做出突出貢獻的女性一般都默默地成爲世界科學史篇章的小小注腳，埋沒在歷史的塵埃中，鮮有人知。

但有些女科學家的光芒遮擋不住，包括50 年前阿波羅登月計劃的幕後女英雄：軟件工程之母 Margaret Hamilton，正是她編寫的代碼將宇航員送上月球並順利返回地球。Margaret Hamilton 至今已發表超過 130 篇論文、會議記錄和報告，內容包含 60 多個項目，以及她本人蔘與的 6 項主要課題。

Margaret Hamilton 在系統設計、軟件開發、項目和過程建模、開發模式、形式化系統建模語言、軟件可用性和複用性最大化等等領域都獲取了不少創新，此外還創立了一步軟件、優先級調配等新概念。

（左圖，Kaite Bouman；右圖：Margaret Hamilton）

有網友說，左圖中 Bouman 站在一張堆滿硬盤數據的桌子旁邊，讓人聯想到右圖 Margatret Hamilton 1969 年的標誌性照片，果然一個偉大成果的實現都離不開大量的研究和努力。

Katherine Johnson，是一名非裔美國女性，她爲第一個美國人進入太空的火箭計算了運行軌跡。她在 NASA 長期擔任計算員的角色，在電腦尚未問世的年代，她的任務是爲太空導航手算參數。水星計劃、阿波羅登月計劃等 NASA 最著名的太空探索計劃中都有她的身影，這些任務的成功都離不開她精確的計算。1962 年，第一位進入地球軌道的美國宇航員 John Glenn 在首次環繞地球的太空任務中， NASA 首次使用了計算機來計算軌道，但他對此結果並不信任，點名要求 Katherine 幫忙演算之後才肯上天：“如果她說沒問題，那我就準備好了！”NASA 爲她撰寫的傳記如此結尾：