與成像相關的科學問題

問:黑洞影像的成像是主觀解釋,還是客觀正確?是否因人為篩選而有偏差?

答:事件視界望遠鏡計劃提供的黑洞影像這個成果,是實驗所得到的事實,不僅經過「盲實驗」的驗證,也經過仔細調校。

所謂盲實驗的意思是,成像團隊被拆成四組人,各自用不同的方法,在為時七週之久的過程中,他們不能互相交談;七週後,將成像結果上傳到指定網站。這個階段中他們確認了四組團隊得到了四個具有相同特徵的影像:呈現中央偏暗的圓環,大小都是40微角秒,環的下半段比上半段明亮,像新月。請參考與黑洞影像同時發表的成像相關論文中的 fig. 4 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0e85/meta

因為EHT觀測黑洞時是在地球上的七個地點收集光線,而不是真的在地球表面上擺滿望遠鏡,要得到盡可能最好的黑洞影像,必須靠重建,重建的工具是演算,而演算法到底有多高的可信度呢?這部分要做很精準的參數調校。調校參數的方式是把所有參數收集起來,然後把人造的影像(譬如中空的環形、實心的圓盤、或重疊的雙圓等等)丟入「資料集」中,然後檢驗看經過資料集處理後獲得的結果,和原先丟進去的人造影像是否一樣,這個步驟中我們得知,有些參數會讓影像失真,那些參數會被捨棄,只留下可靠的彎數。

本次黑洞影像發表的過程和方法都詳載於經過同儕審閱的科學期刊中,這也是科學界發表研究結果的標準方法。(回覆者:Shoko Koyama 小山翔子 ,ASIAA EPO 編輯)

註:下面這張流程說明,海量的原始觀測資料,經過哪些步驟才做成我們看到的那張黑洞影像。那包括去躁訊、產生相關、參數篩選、反覆驗證,確認個別獨立演算法得到一致結果,最後重建合成一張影像,又經確認是和理論預測、計算模型、演算法等都沒有違背的,才公布。

這段流程總共跑了一年多。

資料量從"Petabytes縮減成一張只有"kilobytes"的圖像。

問:EHT拍到的事件視界這張圖像算很銳利嗎?

答:到底圖像銳不銳利呢?打趣地說,它真的是「像刮鬍刀(片)一樣銳利」,怎麼說呢?EHT提供了一個有趣的計算:刮鬍刀的刀片通常厚度是400奈米 - 比一公尺的百萬分之一還薄。你把這片刀片拿著、把手臂伸直,這時你的眼睛看到的刀片厚度,用天文學家的單位來說,大約是半「角秒」,而 EHT 的角解析力比這好一百多萬倍!為了大致了解這是多強的解析力,你可以想像一下,有了這個解析力你可以從洛杉磯把一顆紐約的高爾夫球上有多少個小凹洞數清楚。

要獲取一張黑洞的事件視界清晰圖像,挑戰性很高,圖像的品質高或低是取決於望遠鏡陣列的佈局,望遠鏡所在地的天氣條件等等。理論所模擬的通常看起來比真實圖像還清晰(請參考模擬圖庫)。

問:如果黑洞陰影形狀是略扁或略長圓形怎麼辦?這是否意味著廣義相對論有問題?

答:黑洞陰影形狀是略扁或略長的話,和我們的預期不符(p.s. 想知道我們對黑洞陰影的預期是如何,在 EHT 模擬圖庫中可找到一些),如果那樣的話,肯定也一樣轟動有趣,但那並不一定意味著廣義相對論是錯誤的,而是意味著我們必須要對物理理解得更透徹一點。 幾年前LIGO團隊等在黑洞合併引起重力波的那項發現中已證實了廣義相對論最基本的預測之一。

問:製作圖片有哪些困難(觀測,計算,資金...等等)?

答:在取得第一張黑洞圖像前,事實上,團隊中有些同仁已投入近20年的努力在開發新的軟、硬體,尤其過去幾年為讓各現有望遠鏡經協調安排就直接可藉事件視界望遠鏡陣列參加全球觀測,更是有許多技術和實際問題需要解決。

在2017年4月記錄下第一批數據資料後,數據先收集在數據中心設備中,然後使用由事件視界望遠鏡成員為此計畫專門開發的尖端計算工具進行仔細處理,校準,分析,以及最終解釋。當然,從已預處理並經良好校準的數據來做「製作圖像」的多道必經程序,現在只消幾分鐘就可完成,但在此之前,開發這些程序和工具卻耗費專家大量時間和精力。

問:一般的商業電影裡對黑洞的描繪很逼真嗎,譬如像「星際效應」?

答:在黑洞一般形態方面,「星際效應」那部電影相當寫實,但為了戲劇效果,他們關掉了都卜勒效應,其實,我們應該可以看到環的一邊非常藍,另一邊非常紅(或看不見)。除此之外,其他一些電影也已相當寫實地盡可能努力呈現目前已知的物理定律。