从噪声到图像
来自太空的图像并不是简单地从天而降。相反，每个天文学家都知道拍摄一张宇宙照片需要多大的努力和耐心——特别是当光波被储存在硬盘上时。原则上，一旦数据被记录下来，我们必须在计算机中组装一个跨越世界的望远镜，并重现一个巨大望远镜的天线或镜片对真实波的作用。
镜片在聚焦来自空间的光线时进行的数学运算被称为傅里叶变换。这种变换是以法国数学家让-巴蒂斯特·约瑟夫·傅里叶（Jean-BaptisteJosephFourier）的姓氏命名的，他在1822年提出了这种变换，现在它被用于我们日常生活中的各种领域。任何保存压缩JPEG图像或MP3音乐文件的人都会使用这些傅里叶变换的属性。我们的听觉也将振动转换为声音。我们的耳朵是数学天才，因为它们可以自动进行这种复杂的数学运算——在我们睡觉的时候——每个在晚上被设置错误的数字闹钟的嘟嘟声吓到的人都有这样的经历。在计算机中，我们首先要自己费力地对这些转换进行编程，也就是说，要一步一步地教计算机这种转换。
能够省略信息而不损失图片或音乐的整体印象是傅里叶变换的一个特殊功能。电子压缩方法每天都在利用这一优势。人们从图片或音乐作品中进行傅里叶变换，删除数据中不重要的部分，存储剩余的数据，并可以随时从这些数据中变换回图片或声音文件。差异几乎看不到或听不到，但数据量已变得相当小，这意味着，例如，存储卡上可以存储更多的图像。
当我们用有划痕的反射式望远镜看星空时，或者相机镜头上有灰尘时，也会发生同样的情况。我们因此失去了信息，而望远镜片只能不完全地进行傅里叶变换。尽管如此，我们并没有得到一个孔洞或穿孔的图像，其中洞中的星像不见了。每颗星看起来只是有点模糊。由于信息缺失而产生的干扰会不知不觉地扩散到整个图像上。镜面上的任何误差都会对图像中的所有星产生同样的影响。然而，可以使用计算机算法来消除这些错误中的大部分，并对图像进行抛光。
由于这个原因，全球射电干涉仪由许多小型望远镜连接在一起，而不是一个大型反射镜组成。镜面不需要完全填充。即使不是全世界都有望远镜，它也能发挥作用。这就相当于一面有许多划痕和孔的镜片，而不是一整块。只要有一点技巧和宝贵的数学知识，仍然可以重建一个准确的图像。这可以节省大量的天线，甚至更多的钱。用射电望远镜覆盖地球表面将是一种多余的行为。
图像的傅里叶变换可以很好地与交响乐相比。你看到的图像与你听到的音乐相对应。然后，图像的傅里叶变换就是交响乐的乐谱，而射电干涉仪则对应于记录音乐并将其再次分解为乐谱的音符的测量装置。
在我们的VLBI网络中，两台望远镜的每个组合在任何时候都正好测量一个图像音符，这是由相关器计算的。望远镜之间的距离是基线，你可以把它们想象成竖琴的琴弦，有不同的长度，它们负责不同的音符。只是这里又是反过来的：琴弦并不产生音调，而是倾听音调，时间越长，它们收到的图像音就越高。应用到交响乐中，短基线就会主要听到管弦乐队的定音鼓和低音提琴，而长基线只听到短笛和三角铁。
例如，在头部图像的傅里叶变换中，“低频”的图像色调将只捕捉到头部的形状，而不是面部的细节。另一方面，“高频”的图像色调显示了嘴和鼻子的突出轮廓，但没有显示头部。这里重要的是在射电源看到的望远镜之间的琴弦有多长。如果你从侧面看向琴弦，它将比你从上面看的时候显得更短。地球的自转改变了弦的投射长度和方向，必须在一个晚上的许多小时的观测过程中不断调整望远镜。
然而，为了从VLBI网络中获得良好的图像，必须首先将各个望远镜的测量灵敏度准确地对照起来，并对所有望远镜之间的相对延迟进行校正。这相当于对由许多部分组成的镜子进行调整和均匀抛光，或对钢琴进行精确调音。这项任务由我们的校准小组[188]在2018年春季执行，它确保正确的混合，调整有许多乐器的大型乐曲的音量，并在我们的音乐会开始之前进行声音检查。只有这样，数据的嘈杂声才会变成黑洞图像的和谐交响曲。
2018年5月中旬，我像往常一样离开办公室，这时萨拉·伊萨恩走过来：“你看到我们对SgrA*和M87的第一个校准图了吗——你可能感兴趣？”她说，异常平静。萨拉的心情总是很好，但这次她的眼睛特别顽皮地闪闪发光。我很好奇，看了一眼她的屏幕。然后我又看了看，不解地问：“你相信你所看到的吗？”——“嗯，这是第一个数据，我们必须更仔细地检查它，当然……”她回答说。
校准小组所呈现的是一条由暗弱的点组成的曲线。它是M87的“音阶”，显示了该物体所有测量到的图像音调的响度，按频率排序。响度向高图像音调稳步下降，最终归于零。如果黑洞的图像是一幅肖像画，我们现在就可以确切地知道头部有多大。高音越少，头越大。但随后曲线又突然上升。我们还测量了很多响亮的高音。这个头颅也有一张脸，我们捕捉到了它！我们在最后几分钟测量了最高和最具决定性的音调，正是在西班牙和夏威夷团队同时进行观测的时候——真的非常令人吃惊！
我松了一口气，紧张地呼出了一口气。“这太好了，不可能是真的！”“我们都从射电天文学教科书中知道这条曲线的形状[189]。我不想大声说出来，但这与环形物的傅里叶变换几乎是一致的。如果这是真的，那么M87真的像一些人所说的那样大，我们可以看到影子。”我说，几乎是带着敬畏之心。“是的，60到70亿个太阳质量。”萨拉笑着补充道。
“好吧，我们静观其变。”我以一种尖锐的方式回答，试图装出我的扑克脸。尽管如此，我一整天都在办公室里踱步，处于兴奋状态。仿佛一位非常特别的客人宣布了自己的到来，一位等待了几十年的客人，这就是我对这种情况的感觉。很快，我们就能第一次看到这次访问。一个感谢的祷告充满了这个原本清醒的房间。
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