正如无数科学和一般新闻媒体今天报道的那样，位于银河系中心的超大质量黑洞人马座 A* 的图像是一项了不起的科学成就。但没有得到太多关注的一个方面是模拟和合成数据在发现中所起的核心作用。
如果你还没有读过这个令人敬畏的科学新闻， 事件视界望远镜自己的帖子是了解要点的好地方。根据对全球多年的观察，一个来自一百多个机构的庞大团队设法组装了一张我们银河系围绕旋转的黑洞的图像，尽管它相对接近并且受到了数光年的尘埃、星云和星云的干扰。其他变幻莫测的虚空。
但这不仅仅是在正确的时间将望远镜指向正确的方向。使用像哈勃甚至仍在升温的韦伯这样的东西都无法直接观察到黑洞。相反，必须对物体进行各种其他直接和间接的测量——辐射和重力如何围绕它弯曲等等。
这意味着必须汇总和协调来自数十个来源的数据，这本身就是一项艰巨的任务，也是为什么 2017 年的观测结果现在才作为最终图像发布的重要原因，您可以在下面看到。但是因为这个项目确实没有先例（即使是著名的 M87* 图像，虽然表面上相似，但使用了不同的过程），因此有必要从本质上测试如何进行相同观察的多种可能性。
例如，如果它在中间是“黑暗的”，是因为有什么东西挡住了（而且有——大约有一半的银河系）还是因为洞本身有一个洞（而且似乎有）？缺乏直接的观测数据很难说。 （请注意，这里的图像不仅仅显示基于可见光的图像，而是基于无数辐射读数和其他测量值推断出的形状。）
图片来源： EHT
想想从远处看一个普通的物体。从直线上看，它看起来像一个圆圈——但这是否意味着它是一个球？一个碟子？一个圆柱体端看？在地球上，你可能会移动你的头或向一边走几步以获得更多信息——但请尝试在宇宙尺度上这样做！要在 27,000 光年外的黑洞上获得有效视差，您需要走很远的距离，并且可能在此过程中打破物理定律。因此，研究人员需要使用其他方法来确定哪些形状和现象最好地解释了可以观察到的东西。
为了系统地探索和评估成像算法的设计选择及其对结果图像重建的影响，我们生成了一系列合成数据集。合成数据经过精心构建，以匹配 Sgr A* EHT 测量的特性。使用合成数据可以通过与已知的基本事实进行比较来对图像重建进行定量评估。这反过来又可以评估设计选择和成像算法的性能。
换句话说，他们为他们的观察生成了与不同可能解释相关的海量数据，并研究了这些模拟黑洞环境的预测性。
来自高级研究所的丽莎·梅代罗斯（Lisa Medeiros）在一个非常有趣的问答中，如果你有时间的话，值得一看，她解释了一些关于这项研究如何以及为什么研究黑洞的旋转以及它是如何相关的到它周围的物质旋转和整个银河系。
“与我们在 2019 年为 M87 所做的相比，这个新结果真正令人兴奋的是，在论文 5 中，我们实际上包括了几个模拟，我们在其中探索 [即自旋关系]，”她说。 “因此，有些模拟中黑洞的自旋轴与围绕黑洞旋转的物质的自旋轴不对齐，这是一个非常新颖且令人兴奋的模拟，未包含在 2019 年的出版物中。 ”
图片来源： EHT
自然，这些模拟是令人难以置信的复杂的事情，需要超级计算机来处理，并且有一门艺术和一门科学来确定做多少有意义，以及它们应该有多接近。在这种情况下，正在研究的对齐问题具有内在的科学价值，但也可以帮助解释，例如，由围绕黑洞旋转的气体和尘埃引起的干扰。如果自旋是这样的，它的重力会这样影响灰尘，这意味着读数应该这样读取。
“我们的模拟，当我们将模拟与数据进行比较时，我们倾向于更喜欢几乎指向我们的模型——不是直接指向我们而是偏离大约 30 度左右，”Medeiros 继续说道。 “这将表明黑洞的自旋轴与整个星系的自旋轴并不对齐，如果你相信我之前所说的话，圆盘确实更愿意与黑色的自旋轴对齐洞。圆盘和黑洞看起来确实是对齐的，但两者都没有与星系对齐。”
除了像这样的特定方面之外，还有一个更普遍的问题，即什么形状（或“潜在的源形态”）会产生他们得到的读数：本质上是“球与板”的问题，但方式要复杂得多。
在今天发布的一篇论文中，该团队描述了为黑洞构建七种不同的潜在形态，反映其物质的不同排列，从环到圆盘，甚至是一种双星黑洞——为什么不呢，对吧？他们模拟了这些不同的形状如何在他们的仪器中产生不同的结果，并将那些与计算（和语言）要求更高的“广义相对论磁流体动力学”或 GRMHD 模拟进行比较。
您可以在此处查看论文中两张图片的组合：
图片来源： EHT
我们的想法是找出哪些模拟产生的结果最像他们实际看到的结果，虽然没有失控的赢家，但戒指和 GRMHD 模拟人生（必须说是相当类似的）产生了最一致的结果。解释数据的方式以最终解释数据和结果图像。 （请注意，我在这里概括地总结了一个非常复杂的过程。）
考虑到这些观察是在大约五年前进行的，并且从那时起发生了很多事情，还有很多需要研究的地方，还有更多的模拟需要运行。但他们不得不在某个时候点击“打印”，顶部的图像是他们对所产生数据的最明智的解释。随着观察和模拟的叠加，我们无疑可以期待更好的结果。
事实上，正如德克萨斯大学圣安东尼奥分校的 Richard Anantua 在问答环节中所说的那样，您甚至可以自己试一试。
“如果你在六年级，你可以使用学校的一些计算机，我认为有 EHT 成像，我们有各种各样的管道和工具，你可以教你的班级，”他说，似乎只有一半-开玩笑。 “其中一些数据是公开的——所以你现在就可以开始研究这个，到你上大学的时候，你几乎已经有了一个形象。”