为什么首张黑洞照片要冲印两年？是因为大吗？

　　

　　

　　

　　谢谢“小嘉嘉看世界”的信任和邀请。

　　黑洞这话题也算是研究过，写过一些入门级别的文章，碰巧也是一个喜欢摄影的，当然了，我这两方面水平都不高，能力也有限得很。就这个问题只能是跟您探讨一下，如果有不当的地方，还请见谅。

　　先说说我的理解吧，不是因为大，恰恰是因为小，需要更长的曝光时间。

　　如果让我们来拍摄这个黑洞我们就需要做一些准备，包括了解被摄对象和选择合适的器材。当然了，这次拍摄要比咱们普通摄影更复杂，不是一个照相机就行了的。但咱们还是按照这个流程来看看应该怎么去拍。

　　我们先来了解一下这个被摄物体——黑洞的基本情况：这次科学家们要拍摄的位于半人马座A M87星系黑洞是位于M87星系的一处巨大黑洞，距离我们太阳系约5000万光年。其体积巨大，是太阳的680万倍，足以吞噬整个太阳系。是不是看上去是很大的样子？然而，跟5000万光年的距离比起来，就是一个非常微弱的小点点了。这个小点点有多小呢：10个角秒。一个圆周有360度，1度有60角分，1分有60角秒。我们人的眼睛能识别的两条线的最小距离是0.01度，而这个10角秒为10/3600=0.0028度，这意味着，这么大的一个黑洞，在5000万光年之上是我们用肉眼不能识别的一个小点。必须用望远镜才能观测到。这个比例基本上等于我们人类站在地球上，去看月球上一颗葡萄的感觉。

　　而且由于引力非常大，我们要拍摄黑洞的内部（视界以内）是不可能的。我们能拍摄到的是它的吸积盘。这个吸积盘就是被黑洞巨大引力场俘获的很多的星际物质。这些物质在引力的作用下会发出各种粒子（光），我们能拍到的东西实际上就是这个。

　　好了，我们从上面了解到我们要拍摄的对象了，接下来要选择用什么样的器材去拍摄它。这是最让人脑袋痛的事情，为啥，它太小了，咱们得找个大大大大口径的镜头去拍它。多大呢？最大也只能是地球直径的镜头，再大了地球装不下。

　　好吧，这么大的镜头肯定是没有的。那怎么办，科学家的办法就是虚拟出来一个。怎么虚拟的呢？通过把地球上的多个望远镜给连接起来。这样就能使这个镜头的孔径接近地球的直径大小。

　　可以说，科学家为了这次摄影真的是拼了。

　　现在镜头有了，就需要选择机身。机身的选择跟我们用的照相机情况类似，那就是后面用什么感光器件。可见光是不行的，因为我们跟M87黑洞之间会有很多的星云和尘埃，这些波长太短的光过不来。我们这个相机能接收到的就是一些波长比较长的电磁波。我们现有的能捕获长波的大型抛面天线最大直径为305米，科学家就是利用这些射电望远镜组成机身的感光部分。

　　现在，镜头和机身我们都有了，要根据实际情况拍照了。怎么拍呢？其实这里面还有几个大问题需要解决。

　　第一个困难，虚拟相机之间的时间同步问题。我们地球是一个球面，这些相机上的像素点，不在同一个平面上。遥远的M87黑洞吸积盘发出的光落到相机上就不是一个面上的，为了合成为一个平面波的图像，就必须要在时间上同步，然后在同一个面上去合并。

　　第二个困难，由于地球和月亮之间的关系，我们地球相当于在不停的振动，上哪找个稳定的三脚架啊。这个问题我也是很好奇的。我能想到的就是，增加快门速度，解决大相机的防抖问题。

　　第三个困难，太暗了。如何去拍摄一个亮度极低的物体呢？老郭能想到的也就是依靠长时间曝光或者是B门（单反里的），然而这就跟第二个困难相矛盾。本来都够模糊了，机身还在振动，还想不想好好的拍照了。所以，解决这个问题其实还有一个办法，就是正片叠底。嘿嘿，熟悉PS的同学都了解这个技术吧。对，就是把多次曝光的照片叠加在一起，增加亮度。

　　通过上面这些复杂的手段，可以看出，我们需要调试地球直径那么大一个镜头和机身，然后通过多次的曝光，再利用技术来合成照片，这里面需要两年时间也就不足为奇了。而且还可以预见到，恐怕这张照片的清晰度，不会那么理想。各位小伙伴不要期望值太高啊，具体怎么样今晚即将揭晓，让我们准备好一杯红酒，怀着激动的心情，共同进入倒计时，迎接那一刻的到来吧。

　　#人类首张黑洞照片#

　　我在其他地方回答过，我在这里再补充重新回答一下呀。

　　这次的照片，拍摄的对象是银河系中心的巨大黑洞人马座A*和M87星系的黑洞，分别距离地球为2.6万光年和5300万光年，遥远的距离让地球上所有的望远镜都表示无能为力。

　　但是，科学家偏偏表示就是要拍到黑洞的照片——一台望远镜不行就多用几台，最后凭借被称为“甚长基线干涉”的技术拍到了黑洞的真实相貌。照片的拍摄方法如下图所示。

　　简单说，一台望远镜看不清楚的东西，我用几台望远镜同时看，把看到的图像一对比就可以呃看到更加精细的景象。这样的行为实际上需要很多的天文台同时工作才可以承担起拍摄的任务。

　　事实上，这次拍摄黑洞，一共动用了全球八个天文台【位置如下图所示】，通过这个“甚长基线干涉”技术，可以相当于虚拟出来一个跟地球那么大的望远镜。

　　当然了，由于真实望远镜的口径还是就那么一点点，所以就好像我们拍照片遇到比较黑的场景只能够延长曝光时间一样，为了让天文望远镜接受更多来自黑洞的无线电信号，所以可不是按一下快门、咔嚓一声黑洞就拍到了，而是要进行长时间的跟踪，获取大量的数据。

　　事实上，在2022 年 4 月，给黑洞拍照的团队对黑洞进行了长达 10 天的拍摄，在这十天里获得了极为庞大的观测数据，甚至于大到都无法用网络发送，只能够装到硬盘里面由人进行人肉传输。

　　如下图所示，是黑洞照片发布时候的一个演讲者，他手边的那个就是硬盘架，一个硬盘架可以放8个硬盘，而根据他的说法，为了存储这些数据，他们需要几百个这样的硬盘架。所以数据从一个天文台到另一个天文台，是需要拿卡车装硬盘的。

　　而从这八个天文台获得的海量数据里面，如何用刚刚提到的“甚长基线干涉”技术应用到其中，恢复出来黑洞的样貌出来，那就真的是要靠科学家一点一点尝试了。

　　毕竟从理论到现实，中间需要进行大量的试错，有些时候可能一个参数设定差了一点点就会模糊不清，甚至于获得的图像南辕北辙，也许在分析的时候，还要用上超级计算机这样的大家伙，普通电脑的计算能力根本就不够。

　　如下图所示，就是工作人员在解释照片冲洗的整个过程。首先是望远镜获得数据，然后是获得大量的数据，接着要对这些数据进行修正，后面还要进行拟合，最后才能够成像，可以说是需要经历重重险阻，才能够从成吨的信息中获得这样一张照片。

　　最后，这可是全球关注的重大科学事件，相关的科研团队是非常慎重的。照片“洗”出来之后还要跟之前推测的黑洞的数据进行对比，然后跟全球的同行们先私下里碰头分析，这张照片有没有可能拍错，是不是符合之前的分析，等等，说不定还要返工重做，所以两年获得这样一张照片，时间不算长。

　　第一张真实的黑洞照片来相当来之不易，早在2022年4月份就已经完成拍摄，但直到今天，过了整整两年，才有了第一张的照片。这其中过程非常困难，即便以超级计算机来处理，也需要非常漫长的时间。

　　为了拍摄到位于五千多万光年之外的超大质量黑洞，需要分布在全球的8个天文台的射电望远镜同时对目标进行拍摄。通过干涉技术，可以使射电望远镜的等效直径达到地球直径，从而有能力分辨出遥远黑洞的事件视界。

　　虽然实际的观测时间只有五天，但产生了海量的观测数据，相当于大型强子对撞机在五年内产生的数据。如此庞大的数据量，甚至都无法在线传输。为此，天文学家只能把数据记录在硬盘中，然后再送到两个独立的数据中心——马克斯·普朗克射电天文学研究所和麻省理工学院。在那里，数据被超级计算机分别进行独立处理。

　　数据量不但极其庞大，而且处理起来还极其麻烦。因为环绕黑洞运行的气体运动非常复杂，没有现成的工具可以进行处理。另外，超级计算机还要校准不同望远镜接收到信号的时间差，而这又是一项庞大的工程。

　　总之，对于黑洞的数据处理是前所未有的。即便在超级计算机的辅助下，仍然需要两年的时间才能把第一张黑洞照片“冲洗”出来。

　　虽然耗费了两年的时间，但最终得到的真实黑洞照片可能并非人们想象的那么壮观。但不管怎样，这张真实黑洞照片的意义十分重大，这能直接证明黑洞存在，并且又一次十分严苛地检验了爱因斯坦的广义相对论。

　　今晚就可以看到这张照片了，心里很激动啊，为什么要冲印两年？这是惯例啦，由于需要反复的PS啊，天文照片，真把底片给你看，估计得懵逼，所以得把底片好好弄成大家可以看懂的样子，基本所有的天文星体照片，后期处理的过程都是如此漫长的。

　　这次拍摄的黑洞位于半人马座A M87星系，距离太阳系距离5000万光年，其体积相当于太阳的680万倍。但由于距离实在太远，实际大小大约只有10角秒，人眼睛能识别的极限是0.01度，而10角秒相当于0.0028度，就是说肉眼看瞎了你也是看不到的，得用天文望远镜和计算机处理才行。

　　这个距离的拍摄，不是一般光学望远镜可以胜任的事情，特别是黑洞，太黑了！黑洞本身不能发光，甚至光都无法从黑洞中逃脱。我们只能通过视界外的吸积盘中，各种电磁波段的辐射扑捉到信号，其实就是一张大型X光照片吧。那么我们得上一台超大型的射电望远镜，有多大？地球的直径吧！

　　这次是通过全球的射电望远镜阵列组成一个地球直径大小的虚拟射电望远镜！再用计算机控制协调，同步对黑洞所在方位的电磁波段进行记录拍摄。才可能得到今晚图像的底片。

　　黑洞太黑了，而且距离太远，我们需要动用如此之多的射电望远镜，多次反复的拍摄，然后进行正片叠加，以多次曝光照片来增加亮度，过滤掉噪点，简化掉杂波，然后进行充分上色处理，把不可见的电磁波，美化成大家可见的颜色形状等等。这么一通猛如虎的操作，一年半载是无法完成的，所以让大家等了两年。

　　想想，今晚有幸看到连爱因斯坦都估计不到的黑洞真实照片，虽说还是艺术处理片啦～也是心中了无遗憾啦。

　　我是猫先生，感谢阅读。

　　这次要公布的不是直接拍摄的照片，而是通过大量观测数据拼接而成。2022年，全球多部天文望远镜组成“事件视野望远镜”项目，对着室女座M87星系中心的超大黑洞进行了多日的观测，获得了海量的数据，对这些数据就耗费了科学家们两年的时间。

　　之前人们看到的黑洞的形象都是根据间接的理论计算，或者通过黑洞周围星系的运动来对黑洞的踪迹进行推测。由于黑洞连光都无法脱离，此前只能通过黑洞强大引力对临近天体的作用来间接发现。

　　通过对黑洞周围自由电子的辐射来“拍摄”照片。科学家利用位于全球的多部望远镜阵列，组成了一个虚拟的望远镜，对黑洞进行观测，提高其分辨率，但大量的观测数据处理需要长达2年的时间。

　　让我们拭目以待即将发布的黑洞照片吧，不过，这次的黑洞的照片和以往模拟的黑洞形象应该差别不大，看了不要失望哦。

　　这个问题随着刚刚中国科学院上海天文台的“官宣”已经不难得出为何这个首张黑洞的照片要冲洗两年了。就在刚刚的发布会上，主持人介绍了M87黑洞的约为太阳质量的65亿倍，距离地球约为5500万光年，这是一个什么概念呢？下面我们还是先用几个数字来表述一下。

　　从已知数值来看，太阳的质量约为1.9891E+30kg，这样就能计算出M87的质量约为1.9891E+30kg*65亿=1.29292E+40，而太阳的质量约为地球的130万倍，同样可以计算出M87黑洞的质量约为地球的8.45E+15倍（8450千亿倍），而距地约5.20344E+20km，几乎是日地距离的3.47828E+12倍，也就是距离地球3.47828E+12个天文单位，这个距离相当于距离太阳最近的比邻星4.2光年的13095238.1倍。

　　然而，既然M87黑洞是质量非常大的天体，且距离地球非常的遥远，而且其自身不发光，即使是光都无法逃脱，天文科学家是如何给这个黑洞拍照的呢？

　　由于黑洞质量非常大，引力特别强，因此被吸积的气体在高速下降过程中产生了高温而发出的强辐射有利于被观测，但是由于距离太遥远，需要增大射电望远镜的口径，而为了达到这一目的，天文科学家联合了世界上十几个射电望远镜矩阵使得这一虚拟射电望远镜口径达能到地球大小，以便更好的观测遥远的星空，并且将所观测的数据进行汇总整理，由于数据量庞大，相当于欧洲粒子对撞机一年产生的数据量，因此要对这个数据进行整理是需要耗费大量时间的，这也是为何这张人类首张黑洞照片由观测到成为影像需要两年的时间。

　　从1915年爱因斯坦广义相对论的提出，到4月10日在上海天文台发布的人类首个观测到的黑洞“真容”，有效证明了爱因斯坦广义相对论的正确性，而且随着更多天文望远镜的加入，未来在广义相对论精确性验证下将会发挥更大的作用。

　　#黑洞真容#、#射电望远镜#、#哈勃望远镜#、#人类首张黑洞照片问世#

　　这个冲洗并不是像普通照片那样冲洗，而且不用显影定影药水，它要的是高性能计算机。

　　若事先不了解情况的朋友们在看了昨天的中科院头条号的直播估计也对相关问题有一个了解。

　　直播中就介绍了如何利用多个地点的射电望远镜来“观察”目标黑洞M87。这种观察不是我们拿着望远镜那样看看而已，而是在收集特定波长的黑洞辐射信号，那么这种信号的收集产生的数据是32G每秒（见下图）

　　那么，这么多的数据并不是简单看片那样一闪而过，而且还需要各种运算，所以2022年收集数据，2022年来公布最终的成果是再正常不过了！而且目前的照片还不是最终结果，因为照片的质量是与参与的望远镜的数量正相关的（如下图）。

　　那么，有了这次成功的经验，今后有更多的望远镜参与，那么出来的黑洞照片会更加真实的展现黑洞的容颜，也会有更多的黑洞被抓拍。那个时候虽然数据更多，但是处理的方法成熟与计算机性能的进一步提升会更快的洗出众黑洞照片的。

　　首先来一种刚刚新闻发布会公布的黑洞瘦张照片：

　　科学家为了得到它，可是连着把数据处理了两年。为何要处理两年？就是因为数据量实在太大了。

　　根据发布会的科学家介绍，我国参与的天文望远镜每秒产生的数据就有32G。这么一个巨量的数据，网络传输实在是太慢，带宽也不够。只能够利用快速读写硬盘，把这些数据实时地存储在硬盘里面。如果按照观察10天计算，每台计算机就会产生：10*24*3600*32=27648000G数据，那么全球8台，产生的数据就是221184000G的数据。如此庞大的数据处理和计算，绝对不是十天半个月可以完成的。

　　而且，处理数据的时候，并不是只有一个小组再处理。为了防止计算错误，科学家分工协作，分成独立的几个小组，每个小组单独处理，然后比对最终得出的结果。只有大家的结果都一致了，才能说明结果正确。否则，拖推倒重来。而且，计算出来的结果还要和理论的对比，如果偏差过大，那么就说明不是相对论错了，就是处理的模型错了，或者这些望远镜得到的数据有问题。好在，一切顺利，理论和实际完美切合，相对论也得到了印证。

　　图：黑洞模拟图当然了，这次黑洞的照片像素还不高，我们并不能够分清除黑洞视界范围。期待后续越来越多的望远镜加入其中，而且波长可以在短点，这样科学家就可以得到更为清晰的黑洞照片了。

　　为什么首张黑洞照片要冲印两年？是因为大吗？

　　确实是因为太大了，但这个太大指的并不是黑洞的大小，而是获得的数据大小！第一张黑洞的照片在4月10日晚21：00已经公布，如何拍摄黑洞以及处理数据还有各个参与国家的信息都已经公布，我们或许可以从中了解下黑洞的照片是怎么来的！

　　您不要以为上面的硬盘阵列就是此次黑洞观测的所有数据，它只这个望远镜阵列一天中的部分数据而已！事件视界望远镜（EHT）计划从2022年4月5日就开始观测了，参与观测的望远镜阵列约有8个，观测周期为10天（有效观测），每天产生大约2000TB的数据！平均每个望远镜阵列约产生250TB/天的资料，各位可以查查2022年时最大的民用硬盘存储空间大约是多大！然后比对下上面上面的硬盘数量（8×8=64颗）！

　　上图是希捷在2022年9月发布的企业级 14TB 3.5 吋 SATA 6Gb/s Exos 14TB 填充氦气硬盘！当然各位也不要硬盘阵列就是1个个硬盘叠加上去的，因为这样如果有硬盘损坏的话数据就丢失了，因此一般的数据就是以RAID5模式存储的，简单的说单个阵列是容量就是(N-1)倍单颗硬盘容量！总共10天的数据就是20000T≈20PB，当然大家肯定知道1TB≈1000GB！

　　海量的数据处理起来是极其费时间的，各位处理过大图的朋友都会有个了解，一般一幅几百兆的图片普通电脑就没法处理了，而现在的条件面对的根本就不是一张图片，而是来自于8个射电望远镜阵列上百台射电望远镜在亚毫米波段的数据，而且在这些数据中很多都是无用数据，或者需要有这样一个过程；去除噪音、处理与增强信号、汇入通道处理成图片，并且这个过程需要验证，而且还需要分配到EHT参与的多个国家交叉验证处理！用去2年的时间也算是中规中矩！当然未来如果量子超级计算机发展起来以后，这个过程也许将大大缩减，但在现阶段这绝不是一个可以随意缩减时间的工作！

　　但最终的表现却很简单，就如上图模模糊糊一张普通图片而已，也许各位看过之后会比较失望，但您要知道这张图片是8个望远镜阵列，上百台射电望远镜经过十天的数据收集后，经过数多个参与国科学家不懈努力所处理出来的！黑洞，从2022年4月10日21：00之后就不再神秘，科学家已经揭开了它的面纱，当然这不是终点，而只是一个新的起点而已！

　　主要是因为数据量太大，其次是转换算法太复杂。

　　事件视界望远镜是一个射电望远镜阵列，不是光学望远镜，光学望远镜获得的图像经过简单处理即可观看，但是射电望远镜获取的原始数据并不是图像，而是数据流。

　　射电望远镜的外形一般像电视信号的地面接收天线一样，通过接收电磁波频谱以无线电频率研究天体。

　　你可以将接收系统的工作原理理解为与普通收音机一样，但它具有极高的灵敏度和稳定性。获取的信号需要进行放大﹑检波、降噪等一系列操作，然后依适合特定研究对象的方式进行记录、处理和显示。

　　将这些数据流转化为平面的图像，需要对大量数据进行运算与处理。

　　EHT为了追求极致分辨率，以获得到事件视界边缘物质发出的射电信号，利用甚长基线干涉技术联合了十几台大型射电望远镜、甚至天线阵列共同收集了天文数字的数据量，所以处理起来当然很慢了。