黑洞

「姆奈！你不是物理人嗎？快來講一下最近最熱門的黑洞照片！」

……呃，可是現在媒體焦（嬌）點不是都在演算法嗎？演算法是資訊人的領域啊～XD

上面是Katie Bouman在2016年的演講，演講重點有：

1. 為提高照片解析度，必須用一個跟地球一樣大的望遠鏡。現實辦不到，只好讓分散於全球各地的望遠鏡合作，權充大望遠鏡。

2. 但這些零星分散的小鏡離一個完整大鏡仍很遠。即使小鏡們會隨著地球自轉而移動位置，補足一些空缺，也涵蓋不成一整個大鏡，所以取得的影像資訊也很零星。

3. 要從零星資訊拼湊出完整照片，需要靠演算法：把所有符合這些零星資訊的可能照片模樣都丟給演算法判斷，問它「哪張最像一個黑洞該有的樣子」。

4. 但建構演算法時，不可以偏好「最像愛因斯坦理論」的黑洞，不然觀測家不就等於被理論家牽著鼻子走？為了確保演算法的客觀性，團隊丟給演算法各種天文照片的碎片，告訴它「這才是合理度高的照片」，而演算法便會從各種符合觀測資訊的可能照片中選一張「合理度跟眾天文照片一樣高」的作品；然後，團隊還丟給它各種日常生活照片的碎片，演算法再次據此選一張「合理度跟眾生活照一樣高」的作品，目的就是為了降低演算法的偏見。如果兩張入選作品長得一樣，那麼這作品是真實黑洞模樣的可能性就極高。


最後來談個真正跟物理有關的重點吧。黑洞照片中的亮光其實是來自黑洞外圍高速流動的電漿（但電漿並非橘色，色彩是後製加上的color map，用以顯示電漿噴射強度），但為何連光都逃不出的黑洞，居然允許電漿噴出來，不會最終把電漿吸光光？這是個天文物理學家研究已久的題目（電漿噴射並不違背愛因斯坦理論，只不過電漿活動的機制細節尚未被科學家弄清楚），直到今年初終於有個較完整的初步模擬發表於PRL。模擬中，造成電漿噴射的主因是：一些帶有負能量的粒子進入黑洞的事件視界（event horizon）後，會致使黑洞旋轉能量被減低（Penrose process）；而此旋轉能量被黑洞旁的極向磁場奪走後（Blandford–Znajek process），會造成電漿噴射。這篇研究的亮點就是主張Blandford–Znajek process和Penrose process這兩種機制都要被考慮，才能建構較完整的理論模型，以詮釋實驗觀測。

至於如今觀測到的黑洞模樣究竟是否符合理論預測呢？目前的觀測結果（例如黑洞尺寸）與以愛因斯坦理論為基礎之諸多計算預測吻合，但細節還有待繼續努力——電漿模型仍有點簡陋，尚無法直接與實驗觀測對照；而觀測照片仍然模糊，再蒐集多一點數據（例如引入在地球上空運行的望遠鏡），照片應該會更清楚。

Credit: Event Horizon Telescope Collaboration