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凯蒂·布曼,黑洞照片后的女科学家

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摘要: 4月10日,第一张黑洞照片横空出世——一个由尘埃和气体组成的光环,勾勒出了一个巨大黑洞的轮廓,这是天文学上的重要里程碑。对黑洞的首次可视化似乎将彻底改变我们对宇宙最大谜团之一的理解。200多名来自世界各国的科研人员参与了这个项目,用10年的时间收集了海量数据。再经过两年的数据分析,这张照片才问世。
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4月10日,第一张黑洞照片横空出世——一个由尘埃和气体组成的光环,勾勒出了一个巨大黑洞的轮廓,这是天文学上的重要里程碑。对黑洞的首次可视化似乎将彻底改变我们对宇宙最大谜团之一的理解。200多名来自世界各国的科研人员参与了这个项目,用10年的时间收集了海量数据。再经过两年的数据分析,这张照片才问世。而在实现这一目标中,发挥关键作用的科学家之一,来自MIT的博士后、年仅29岁的凯蒂· 布曼(KATIE BOUMAN)也迅速走红。她提出了关键算法,从庞大的数据中提取出一张黑洞画像。她与那数十个硬盘的合照,让不少人想起了1969年玛格丽特· 汉密尔顿(MARGARET HAMILTON)的标志性形象。当时阿波罗计划的首席软件工程师汉密尔顿站在成堆的文件旁微笑,这张照片后来广为流传。50年前,汉密尔顿用代码将人类送上月球;50年后,布曼用代码拍下了黑洞。


阿波罗计划的首席软件工程师玛格丽特·汉密尔顿(Margaret Hamilton)

阿波罗计划的首席软件工程师玛格丽特·汉密尔顿(Margaret Hamilton)

站在成堆的文件旁微笑,这张照片后来广为流传。


 凯蒂·布曼(Katie Bouman)与数十个硬盘的合照

凯蒂·布曼(Katie Bouman)与数十个硬盘的合照,硬盘是来自全球8个射电望远镜的观测资料。


整个夏天,凯蒂·布曼(Katie Bouman)位于哈佛大学内的办公室又闷又热。她已经在这个房间工作了一年多,在这个房间里的所有工作内容都要严格保密。6月的一天,她跟其他三名研究人员来到这个逼仄的办公室里,想知道能不能从计算机里得到那张梦寐以求的图片。过去数月,来自世界各地的研究人员合力收集了大量的天文数据,这些足以装满半吨硬盘的数据在前不久送到美国的处理中心。布曼和她的同事们想知道他们的算法能不能从这些庞大的数据中提取出一张黑洞画像。这是决定命运的时刻。当她在计算机上按下“GO”的按钮后,一个模糊的光环缓缓呈现在屏幕上。这是一个由尘埃和气体组成的光环,勾勒出了一个巨大黑洞的轮廓。第一张黑洞的照片横空出世。这个黑洞位于梅西耶87星系的中心,距离地球5500万光年。“难以置信,我以为我们只会看到一个斑点。”布曼说。


今年4月,随着这张黑洞图片的发布, 29岁的计算机科学家布曼也以光速走红。她与数十个硬盘的合照,让不少人想起了1969年的玛格丽特·汉密尔顿(Margaret Hamilton)。当时阿波罗计划的首席软件工程师汉密尔顿站在成堆的文件旁微笑,这张照片后来广为流传。这两名女性分别在50年前和今天创造了历史。


布曼激起了许多人的兴趣,她在两年前的一段视频,被网友找了出来。站在台上的布曼似乎有些紧张,语气局促,有时还会结巴。那是在2016年的TED TALK 上,她用略显稚嫩的声音告诉听众:“我是凯蒂· 布曼,MIT的博士生,我不是天文学家,但我想向大家介绍如何拍摄黑洞照片。”当时,所有的一切还充满不确定性。


布曼第一次看到黑镜的图片

2018年6月,布曼第一次看到黑镜的图片,激动地握紧双手。


在过去很长一段时间里,黑洞只存在于人类的想象和推测中。2006年,天文学家就开始尝试给黑洞拍照,但距离太远,加上黑洞尺寸过小,没能成功。布曼曾说过,拍清楚黑洞需要与地球尺寸相当的望远镜。后来,天文学家把地球上8个电波望远镜串联了起来,覆盖了从南极洲到西班牙和智利的多个地区,构成了口径等同于地球直径的“事件视界望远镜”(EHT)。随着望远镜跟着地球自转,就可以收集到黑洞所在位置的不同数据。2017年4月5日,这8台射电望远镜同时对黑洞展开观测。这些望远镜收集捕获的数据是极其庞大的,每台望远镜都记录了大约1 PB的总数据。在观测结束后,每个观测站点的研究人员将成堆的硬盘寄往美国波士顿和德国波恩的中央处理中心。由于数据过于庞大,这些硬盘只能以人工运输的方式传输。


而当这些数据到达处理中心时,又有另一个难题需要解决——如何在如此庞大的数据中分析出有效数据;到底哪一张才是黑洞的照片?布曼正是解决这个问题的核心人物。6年前,布曼作为一名初级研究员加入了这个项目,当时她的任务就是建立一种算法,将望远镜收集的大量嘈杂、混乱的数据提炼成一幅可理解的图像。在进入EHT之前,布曼没有任何天文学的背景。布曼曾说过:“如果你不知道天体物理学的细节是很困难的,这是一个很大的挑战。”然而,布曼和她的团队花了三年时间,最终构建出了成像代码。“我们开发了生成合成数据的方法,使用了不同的算法,进行盲测,看我们能否恢复图像。”她告诉CNN,“我们有不同的算法,都有不同的假设。如果所有人都恢复了相同的总体结构,那么就能建立起对结果准确性的信心。”建立起这个算法后,布曼就与数十名EHT研究人员合作,在接下来的两年里开发并测试如何设计黑洞的成像。去年6月,当所有的望远镜数据最终到达时,布曼和一小群研究人员才坐下来,对算法进行了测试。结果证明,按照不同的算法,生成的照片看起来都是一样的。4月10日展示的黑洞图像不是来自一种方法,而是来自不同算法的所有图像被模糊在一起。


世界上第一张超大质量黑洞的图片,标志着又一天文历史的诞生,也意味着像布曼这样的人终于可以分享他们的秘密工作。在EHT工作的这几年,就连她的家人都不知道布曼的工作内容。照片正式发布后,布曼才在社交媒体上传了去年6月看到黑洞图片时那个兴奋的自己。照片中,布曼用双手捂住嘴巴,背景中的电脑屏幕上是第一张黑洞的图像,墙上的黑板上是密密麻麻的计算公式。她写道:“难以置信地看着黑洞的第一张图像正在被重建。”布曼说:“保守秘密真的很难,我甚至没有告诉我的家人这张照片。”她的父亲查尔斯· 布曼(Charles Bouman)是普渡大学(Purdue University)工程学教授。他说自己的女儿曾经告诉他会在4月10日晚上公布一个大新闻,但却始终不告诉他具体内容。照片曝光后,她的父亲在接受《纽约时报》采访时表示:“我认为她迈出了更大的一步,我称之为突破性的成果。她真的把我们所说的机器学习和人工智能带到了科学发现中。”


EHT 项目中的南极望远镜

EHT 项目中的南极望远镜。


世界上第一张黑洞照片

世界上第一张黑洞照片。


布曼从小学时便对科学研究感兴趣。出生于1989年的布曼来自印第安纳州的西拉法叶(west lafayette),有一个妹妹。六年级时,布曼参加了科学博览会项目,这是她第一次真正体会到科学研究的刺激。她说这本来是一个很小的项目。她烤了3大块面包来研究酵母对面团的影响,最终赢得了金牌。她升入初中后,在朋友提议下一起修读编程课程。布曼曾认为“编程是件无聊且愚蠢的事情”。但那一年的学习彻底改变了她的想法。“我觉得那是一个真正的开始,我开始认真投入研究。”对于计算机科学的痴迷让她在中学时就得到了一份工作,在普渡大学的图像处理实验室做暑期研究助理。2007年,她进入密歇根大学学习电气工程,她开始意识到自己是如此迷恋于与图像相关的工作,“你可以看见自己的成果,将所有东西视觉化,这过程让我感到很享受”。大学毕业后,她进入MIT 继续她的硕士、博士课程,专业是图像处理和电气工程。在MIT 修读博士期间,当时的教授告诉了她关于EHT 项目的一些信息,她对天文学兴趣不大,也知之甚少。不过,她认为这个项目可能会给她带来新的图像处理挑战。


麻省理工学院天文台的研究科学家文森特·菲什评价布曼是“成像小组的主要成员”。布曼则表示:“这幅图像不是由一个算法或一个人完成的,它需要来自世界各地的科学家团队的惊人才能和多年的艰苦工作,来开发仪器、数据处理、成像方法和分析技术,这些都是完成这一看似不可能壮举所必需的。”她认为自己真正的贡献在于将一种思维方式带到了项目中。项目专家具有各种各样的科学背景, 而她则是通过计算机科学的视角,强调对合成数据运行测试的重要性。布曼解释说:“传统上,在射电天文学中,拍摄图像的方法实际上是由一个人指导成像方法,大家只要跟着这个方向前进。但对于黑洞这样的数据,它是如此稀疏,如此嘈杂,这是一个危险的游戏。”她说:“我所做的是带来了一种自我测试的文化。”


布曼的照片在社交媒体上广为流传,也在提醒着人们,承认女科学家的重要性。这也是她的名字突然在社交媒体上走红的另一原因: 历史很少给予女科学家应有的认可,像《隐藏人物》背后的非裔女科学家一样。在这次参与项目200多人中,大约有40名女性。布曼说,大多数时候,她没有注意到自己所处的领域中女性占少数,“但我有时也会想。我们如何让更多的女性参与进来”。去年诺贝尔科学领域有两名女性科学家获奖,今年数学界的诺贝尔奖“阿贝尔奖”首次授予女性数学家。虽然数据显示,世界上只有30%的研究人员是女性。但近两年大事件中频频出现的女性面孔也许就在说明,社会正在给这些女性科学家应有的尊重和关注。


撰文— 朱怡 编辑—万有道 图片— 视觉中国、ESO

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