เราอาจไม่ได้เห็นภาพหลุมดำแรก (M87) หากไม่มีเธอคนนี้

เราอาจไม่ได้เห็นภาพหลุมดำแรก (M87) หากไม่มีเธอคนนี้

หลุมดำ M87 ภาพถ่ายหลุมดำแรกในประวัติศาสตร์ (ภาพจริง)
หลุมดำ M87 ภาพถ่ายหลุมดำแรกในประวัติศาสตร์ (ภาพจริง)
เมษายน 20, 2019
ความถูกต้องกว่า 100ปี ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป)
ความถูกต้องกว่า 100ปี ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป)
เมษายน 20, 2019
เราอาจไม่ได้เห็นภาพหลุมดำแรก (M87) หากไม่มีเธอคนนี้

ดร. เคที โบวแมน (Katie Bouman) คือผู้ริเริ่มสร้างอัลกอริทึม หรือลำดับของขั้นตอนการคำนวณเพื่อสร้างภาพหลุมดำ M87 จนได้กลายมาเป็น ภาพถ่ายหลุมดำแรกในประวัติศาสตร์ขึ้น อักทั้งเธอยังเป็นผู้ที่มีความเชี่ยวชาญเป็นอย่างมากในเรื่องของ Computer vision และ machine learning โดย Computer vision ก็คือ ความรู้วิชาว่าด้วยเรื่องการศึกษาที่เกี่ยวกับการดึงข้อมูลจากรูปภาพหรือวีดิโอมาใช้งาน โดยในเรื่องนี้จำเป็นต้องใช้วิชาทางสถิติมาเกี่ยวข้องด้วย ส่วน machine learning ก็คือ ปัญญาประดิษฐ์ หรือ อัลกอริทึมที่สามารถเรียนรู้ข้อมูลและทำนายผลลัพธ์ในตัวเองได้ และจากภาพของหลุมดำ M87 ที่ได้เผยออกสู่สาธารณชนไปเมื่อวันที่ 10 เมษายน ปี 2019 นี้เอง ก็ได้ไปส่งผลโดยตรงต่อเธอ จนไปทำให้ชื่อเสียงของเธอเริ่มเป็นที่รู้จักกันมากขึ้น ของผู้ที่อยู่เบื้องหลังในความทะเยอทะยานครั้งนี้

ประวัติของเคที โบวแมน (Katie Bouman)

แคทเธอรีน หลุยส์ โบวแมน (Katherine Louise Bouman) นี้คือชื่อเต็มของเธอ ซึ่งเธอเกิดในปี 1989 และเติบโตขึ้นในเมืองเวสต์ลาฟาแยต รัฐอินเดียนา สหรัฐอเมริกา ปัจจุบันเธออายุ 29 ย่างเข้า 30 ปี จะเห็นได้ว่าเธอคือคนรุ่นใหม่อย่างแท้จริงและเป็นตัวอย่างหรือไอดอลให้กับรุ่งหลังๆหรือเราๆได้เป็นอย่างดีและอย่างที่ผมบอกว่าเธอไม่ใช่นักดาราศาสตร์มาก่อน แต่ถึงอย่างนั้น เธอก็คือนักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งเช่นกัน ที่เรียกว่า imaging scientist หรือนักวิทยาศาสตร์การถ่ายภาพ ซึ่งเธอคือผู้ที่ชื่นชอบและค้นหาองค์ความรู้ใหม่ๆในด้านนี้เป็นอย่างมาก (โดยๆจุดๆนี้ เราจะเห็นได้เลยว่านักวิทยาศาสตร์แต่ละท่านก็จะมีความเชี่ยวชาญในวิชาของตัวเอง และก็มีประโยชน์ต่อวงการวิทยาศาสตร์โดยรวม ไม่น้อยไปกว่ากันเลย)

ด้านการศึกษา

เคที โบวแมน เรียนจบระดับชั้นมัธยมศึกษาในปี 2007 จาก West Side High School ในย่านเมื่อง West Lafayette ที่เธอเติบโตขึ้นมา ซึ่งจากความเก่งกาจของเธอเนี่ยคงได้พ่อมาอย่างไม่ต้องสงสัยเลย เพราะพ่อของเธอ ชาร์ลส์ โบวแมน (Charles Bouman) คือศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าคอมพิวเตอร์และวิศวกรรมด้านชีวการแพทย์ที่มหาวิทยาลัยเพอร์ดู (Purdue University) ซึ่งสมัยครั้งที่เธอยังเรียนอยู่ ก่อนจะจบชั้นมัธยมปลาย เธอก็เคยได้ทำรายงานวิจัยงานเกี่ยวกับการถ่ายรูปให้กับ มหาวิทยาลัยเพอร์ดูมาแล้ว และจากจุดนี้เองที่เธอเรียนรู้อะไรมามากมายเกี่ยวกับ โครงการ Event Horizon Telescope และเป็นจุดเริ่มต้นของความสนใจในดาราศาสตร์ของเธออีกด้วย ซึ่งตอนนั้นเธออายุได้เพียง 18 ปี ในปี 2007 (จากตัวอย่างนี้ก็ชี้ให้เห็นว่า ดาราศาสตร์ไม่ใช้เรื่องไกลตัว และไม่สายเกินไปที่เราจะเริ่มสนใจศึกษามัน)

หลังจบระดับชั้นมัธยมศึกษา เธอก็ได้เลือกเข้าเรียนต่อในระดับปริญญาตรี ในสาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า ณ มหาวิทยาลัยมิชิแกน ก่อนจะจบการศึกษาในปี 2011 ด้วยเกียรตินิยมอันดับหนึ่ง จากนั้นเธอก็เรียนจบการศึกษาในระดับปริญญาโทและปริญญาเอกในปี 2013 และ ปี 2017 ในสาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า และ วิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ หรือ MIT (Massachusetts Institute of Technology) ซึ่งปัจจุบันเธอได้เข้าทำงานเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านการคำนวณและวิทยาศาสตร์คณิตศาสตร์ที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย (California Institute of Technology) และอนาคตเธอเองก็มีแผนที่จะพัฒนาระบบใหม่ เพื่อใช้สำหรับการประมวลภาพผ่านที่ได้รับ ผ่าน Ai ปัญญาประดิษ์อีกด้วย (จัดได้ว่าโปรไฟล์ของ เคที โบวแมน คนนี้ไม่ธรรมดาเลยทีเดียว)

ซึ่งขณะที่เธอยังคงศึกษาอยู่ ณ MIT เธอก็เคยได้เข้าร่วมเป็นสมาชิกของหอดูดาว เฮสแตค (Haystack Observatory) และเป็นหนึ่งในสมาชิกในนั้น ซึ่งที่เฮสแตคนี้เองที่เป็นจุดเริ่มต้นไปทำให้เธอ ได้กลายมาเป็นที่ยอมรับในวงการดาราศาสตร์ในภายหลัง กับผลงานวิทยานิพนธ์ปริญญาโทที่ชื่อ Estimating Material Properties of Fabric through the Observation of Motion ซึ่งเป็นงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลภาพของโครงข่ายในสิ่งที่เคลื่อนไหว จนได้รับทุนในการพัฒนาต่อจาก National Science Foundation หรือ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติในเวลาต่อมา แถมยังได้รับรางวัลจาก เอิร์นส์ ไกลิมิน อาวอด Ernst Guillemin Award จากผลงานวิทยานิพนธ์ยอดเยี่ยมอีกด้วย และจากงานวิจัยนี้เองจึงนำไปสู่วิทยานิพนธ์ในระดับปริญญาเอกในชื่อ Extreme imaging via physical model inversion: seeing around corners and imaging black holes ซึ่งเป็นงานวิจัยที่เกี่ยวกับการถ่ายรูปที่เล็กสุดขั่วผ่านแบบจำลองทางกายภาพของหลุมดำ โดยมีที่ปรึกษาคือ วิลเลียม ที ฟรีแมน ( William T. Freeman) ซึ่งเป็น ศาสตราจารย์ของวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ แห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์

อีกทั้งก่อนที่เธอจะได้รับปริญญาเอก หรือ ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต เธอก็ยังเคยได้รับเชิญให้ไปขึ้นพูดในเวทีระดับโลกอย่างรายการ TED Talks มาแล้ว เมื่อปี 2016 หรือเกือบ 3 ปีที่แล้ว ซึ่งในตอนนั้นเธอได้ขึ้นไปพูดในหัวข้อที่ชื่อว่า How to Take a Picture of a Black Hole หรือก็คือ วิธีการถ่ายรูปหลุมดำนั่นเอง แถมเธอยังทำนายเอาไว้ในรายการอีกด้วยว่า ภายในอีก2-3ปี ต่อจากนั้น เราจะได้เห็นภาพของหลุมดำที่แท้จริงแล้ว ซึ่งนั่นมันก็เป็นความจริงดังที่เธอพูดเสียด้วย

งานวิจัยและอาชีพการงาน

ซึ่งในทันทีที่ เคที โบวแมน ได้รับดุษฎีบัณฑิตจนเป็นด็อกเตอร์แล้ว เธอก็ไม่รอช้าและเข้าร่วมงานกับมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด เช่นเดียวกับเพื่อนๆของเธอในทีมงานถ่ายรูปของ Event Horizon Telescope

โดยเธอคือผู้นำของการพัฒนาอัลกอริทึมสำหรับการถ่ายรูปหลุมดำที่รู้จักกันในชื่อ Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors, หรือเรียกสั้นๆว่า CHIRP (ซึ่งจะอ่านอออกเสียงว่า เชิร์ปก็ได้) โดยหลักการก็คือการนำภาพจากหลายๆจุดที่มีความชัดที่น้อยมารวมกันเป็นภาพขนาดใหญ่ที่มีความชัดเจนที่สูงขึ้น ซึ่งลักษณะก็จะคล้ายๆกับการการต่อจิ๊กซอร์แต่ยากกว่ามากๆ แต่งานนี้ไม่ได้มีแต่เคที โบวแมน เท่านั้นที่ทำอยู่คนเดียว เพราะเธอยังมีเพื่อนร่วมงานอย่าง ซาร่า อีซาออน (Sara Issaoun) รวมไปถึงคนอื่นๆอีกหลายคนที่มาร่วมช่วยงานในโครงการถ่ายรูปแรกของหลุมดำ โดยอัลกอริทึมที่เรียกว่า CHIRP ได้เคยถูกอธิบายออกสื่อสาธารณชนมาแล้วก่อนหน้านี้ในโลกโซเชี่ยล เมื่อปี 2016

การดำเนินงานของ CHIRP ก็คือ มันจะทำหน้าที่ในการเปลี่ยนข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ได้รับมาจากหลายๆที่ให้กลายเป็นภาพที่เข้าใจได้ ซึ่งในโครงการ Event Horizon Telescope นี้ได้รับความร่วมมือจากในหลายๆประเทศ อันประกอบไปด้วย กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่กระจายตัวกันอยู่ในพื้นที่ต่างๆมากถึง 8 แห่งด้วยกัน โดยข้อมูลทั้งหมดจะถูกเข้ารหัสจากสัญญาณอนาล็อคเป็นสัญญาณดิจิตอล (หรือก็คือการแปลงจากสัญญาณที่เป็นรูปคลื่นๆสลับไปมา ให้กลายมาเป็นตัวเลขเพียง 0 กับ 1 นั่นเอง) แล้วจากนั้นจึงทำการบรรทึกข้อมูลลงสู่ฮาร์ดดิส ซึ่งการบรรทึกข้อมูลทั้งหมดจะผ่านการเทียบค่าเวลาจากนาฬิกาอะตอมที่มีความละเอียดสูงในระดับ 9พันล้านรอบต่อวินาที ที่ทำเช่นนี้ก็เพื่อให้ได้ภาพจากในหลายๆพื้นที่ๆห่างไกล ได้เกิดความคาดเคลื่อนได้น้อยที่สุด ครั้งเมื่อได้นำข้อมูลเหล่านี้มาทำการ synchronized หรือผสานเวลากัน อันนำไปสู่กระบวนการคอร์เรเตอร์ correlator และ data reductions ในขั้นถัดไป ซึ่งในขั้น correlator ก็คือการประมวลผลเทียบค่าของข้อมูลภาพที่ได้รับต่างๆ มาจัดเรียงให้มีความใกล้เคียงกัน (ยกตัวอย่างเช่น ข้อมูลจากบางแหล่งอาจถูกรบกวนโดยชั้นบรรยากาศ แล้วไปส่งผลทำให้คลื่นแสงที่ได้รับ เกิดความคลาดเคลื่อนไป หรือบางภาพอาจเล็งไม่ตรงหลุมดำบ้างเป็นต้น) หลังจากเสร็จในขั้นตอนนี้ไป ข้อมูลก็จะถูกส่งต่อไปยังขั้น data reductions เพื่อลดทอนค่าความถี่ของสัญญาณส่วนเกินออกไป แล้วปรับจูนรูปคลื่นให้มีความถี่ที่ชัดเจนในแบบที่มันควรจะเป็น จนกลายมาเป็นภาพหลุมดำดังที่เราเห็นกัน

โดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใช้ในบันทึกภาพหลุมดำทั้งหมดนี้ จะรวมตัวกันเป็นโครงข่ายขนาดใหญ่ เสมือนกับ เป็นตาข่ายของแมงมุมที่ถักทอใยครอบคลุมโลกทั้งใบเอาไว้ หรือ เปรียบเสมือนดังกับการจำลองกล้องโทรทรรศน์ให้มีขนาดใหญ่เท่าโลกนั่นเอง โดยในภายหลังความสำเร็จของภาพหลุมดำแรกในประวัติศาสตร์นี้ ก็ปรากฎพบว่าปริมาณข้อมูลทั้งหมดของหลุมดำที่ถ่ายได้ในครั้งนี้ มีปริมาณมากถึง 5 ล้านกิกะไบต์ อีกทั้งทีมงานของเธอยังชี้แจงว่าแม้นี้จะเป็นภาพแรกของหลุมดำ แต่มันก็จะยังคงไม่ใช่ภาพสุดท้าย นี้ก็หมายความว่า อนาคตต่อไปจากนี้ ในไม่ช้าเราอาจจะได้เห็นภาพของหลุมดำในมุมมองต่างๆเพิ่มขึ้นอีก ซึ่งก็อาจจะไม่ใช่เพียงแต่หลุมดำ M87 เท่านั่น

อีกทั้งเธอยังได้รับการช่วยเหลือในเรื่องความรู้ทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวกับ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ของเดอะ สตรองฟิล รีจีม (the strong-field regime) หรือทฤษฎีบทว่าด้วยเรื่องของระบบสนามโน้มถ่วงขนาดใหญ่อีกด้วย ถ้าขาดความรู้นี้ไปแล้ว เราอาจไม่รู้ถึงสมมุติฐานในแบบจำลองของหลุมดำได้เลย เพราะ การจะค้นหาอะไรบางสิ่งในอวกาศที่กว้างใหญ่ไพศาลยิ่งกว่าการงมเข็มในมหาสมุทรนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นจะต้องมีเป้าหมายและแบบจำลองในทฤษฎีไว้อยู่เชนกัน ถ้าไม่อย่างนั่นละก็สิ่งที่เราค้นหาก็จะไร้ซึ่งจุดหมาย

และภายหลังจากที่ภาพแรกของหลุมดำ M87 ได้เผยออกสู่สาธรณชนไปเมื่อวันที่ 10 เมษายน ปี 2019 หนึ่งในภาพที่ปรากฎเห็นอยู่บ่อยเลยในโลกโซเชี่ยลก็คือ รูปของ เคที โบวแมน ที่แอบยิ้มอย่างมีความสุขอยู่หน้าจอประมวลผลคอมพิวเตอร์ ซึ่งเมื่อก่อนนี้เราอาจจะไม่รู้จักเธอเลยด้วยซ้ำ แต่ในวันนี้เราก็ได้รู้แล้วว่า เบื้องหลังความสำเร็จของภาพแรกของหลุมดำในประวัติศาสตร์นี้ก็ไม่ธรรมดาเช่นกัน

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *

Facebook
กลับสู่บนสุด