新数据M87的外观相同

大约五年前，一个遍布全球的天文学家团队让世界第一次看到了黑洞。现在，该团队通过超大质量黑洞M87*的新图像验证了他们的原始发现和我们对黑洞的理解。这个超大质量黑洞的质量是太阳的65亿倍，位于室女座星系团梅西耶87(M87)星系的中心，距离地球5500万光年。

这张新图像和旧图像一样，是由事件视界望远镜(EHT)捕捉到的，这是一组横跨地球的射电望远镜阵列。然而，这些新数据是在一年后的2018年收集的，并受益于望远镜阵列的增强，特别是格陵兰岛的望远镜的加入。

EHT的M87*原始图像非常重要，不仅因为它代表了人类第一次对黑洞进行成像，还因为该物体看起来就像它应该看起来的样子。值得注意的是，该图像显示了所谓的黑洞阴影——围绕黑洞的热物质发光盘中心的黑暗区域。黑洞阴影与您在阳光明媚的日子走到外面时投射的阴影不同。相反，黑暗区域是由黑洞巨大的引力场产生的，其强度如此之大，以至于光无法逃脱。由于没有光离开黑洞，所以它看起来是黑暗的。

此外，强大的引力会使穿过黑洞附近的光线弯曲而不会落入其中，从而有效地起到透镜的作用。这被称为引力透镜效应，它会产生一个光环，无论从哪个角度观看黑洞，都可以看到该光环。这些效应都是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论所预测的。由于M87*的图像显示了这些效应，因此有力地证明了广义相对论和我们对黑洞物理学的理解是正确的。

这张新的M87*图像是由加州理工学院成像团队做出的重要贡献，其中包括计算和数学科学、电气工程和天文学助理教授Katherine(Katie)L.Bouman教授;前加州理工学院博士学生NitikaYadlapalliYurk博士;现任加州理工学院计算和数学科学博士后研究员AviadLevis。

Bouman是EHT成像工作组的协调员，也是哈佛史密森天体物理中心的博士后研究员，当原始图像于2019年发布时，她是EHT成像团队的联合负责人。在此期间，她帮助开发了以下算法：将EHT的多个射电望远镜收集的大量数据汇集到一个单一的、有凝聚力的图像中。布曼同时也是罗森伯格学者和传统医学研究所研究员，自加入加州理工学院以来，她继续在EHT工作。她还共同领导了2022年发表的银河系超大质量黑洞成像。

Yurk于2020年加入EHT协作组织，并在最新M87*图像的成像团队中发挥了积极作用。她的主要贡献包括开发用于成像算法训练和验证的合成数据集。Yurk还编写了用于探索候选图像的软件。她最近因其在博士学位方面的努力而获得了EHT的认可。论文奖表彰她在最新M87*图像的成像和验证方面取得的进展。她目前是美国宇航局喷气推进实验室的博士后项目研究员，该实验室由加州理工学院为美国宇航局管理。

使用EHT对M87*这样的天体进行成像与使用传统望远镜对土星这样的行星进行成像有很大不同。EHT观察的不是光，而是物体发出的无线电波，并且必须通过计算将信息组合起来形成图像。

“这些望远镜产生的原始数据基本上只是电压值，”尤克说。“我喜欢将射电望远镜描述为世界上最灵敏的电压表，它们从天空的不同部分非常准确地收集电压。”

Bouman说，将这些电压值转化为图像很棘手，因为研究人员正在处理的信息不完整，并且没有任何东西可以与图像进行比较，因为没有人亲眼见过M87*。

“当我们通过计算形成图像时，我们不想插入我们对黑洞应该是什么样子的期望，”布曼说。“否则，它可能会让我们看到一幅我们所期望的图像，而不是捕捉现实的图像。”

为了避免这个问题，研究人员使用所谓的合成数据(一组具有简单几何形状的模拟图像)测试他们的图像处理算法。这些数据通过算法运行以生成图像。如果输出图像与输入图像一致，他们就知道算法工作正常，并且能够准确地看到黑洞周围令人惊讶的结构。

Bouman表示，该过程由Yurk共同领导，涉及探索数十万个参数，以衡量算法在重建不同图像结构方面的有效性。研究小组发现，随着EHT中加入格陵兰望远镜，这些方法可以更稳健地恢复图像中的特征。

该过程产生了M87*的图像，与第一张图像仅略有不同。最明显的区别是M87*周围发光环的最亮部分逆时针移动了约30度。根据EHT的说法，这种运动很可能是黑洞周围物质湍流的结果。重要的是，环的大小保持不变，这也是广义相对论所预测的。

Bouman补充说，该团队能够使用与前一张图像非常吻合的新数据生成另一张M87*图像，这令人兴奋。

“我认为人们会问，‘为什么这很重要?你已经展示了M87*的照片。’”其他小组已经用2017年拍摄的数据重现了M87*图片。但是，使用不同年份拍摄的新数据集并得出相同的结论是完全不同的事情。独立数据的重现性也很重要。”