0

2
0

文字

分享

0
2
0

當你凝視深淵:人類首度直擊黑洞真面目!──科學超抖宅報

科學大抖宅_96
・2019/04/10 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

「當你凝視深淵,深淵也凝視著你。」當我們想像「看著」黑洞的時候,可能是這樣的感覺…嗎?現在,你有可能可以稍微體驗一下凝視黑洞是怎樣的感覺了!

本次觀測到的M87黑洞影像。source:中研院天文所提供 Photo credit: EHT Collaboration

今晚(2019年4月10日),中央研究院廖俊智院長,偕同天文及天文物理研究所的科學家淺田圭一和中村雅德,與布魯塞爾、聖地牙哥、上海、東京和華盛頓特區等五地同步舉行記者會,發布令人興奮的消息:由事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT)提供的黑洞觀測照片。

關於事件視界望遠鏡

事件視界望遠鏡是全球性的大型望遠鏡陣列計畫,其利用特長基線干涉法(Very-long-baseline interferometry,VLBI),協調世界各地電波望遠鏡針對特定目標進行獨立觀測,並將數據整合在一起,形成口徑等同地球一樣大的虛擬望遠鏡。在台灣方面,作為全球VLBI陣列的一員,中央研究院參與建造了次毫米波陣列望遠鏡(SMA),以及阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA);2017年更在北極圈內,和美國哈佛大學的研究團隊,成功架設格陵蘭望遠鏡[1]

由於望遠鏡口徑越大,分辨天體的本領就越高強;藉由事件視界望遠鏡,我們能檢驗以往無法觀察的天文現象──例如黑洞。目前事件視界望遠鏡的主要觀測目標,為銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A* (Sagittarius A*),以及位於橢圓星系的超大質量黑洞M87(Messier 87,亦稱室女A)。

相較於傳統的可見光望遠鏡,事件視界望遠鏡觀察的是人眼不可見的電波,波長處於毫米/次毫米範圍,主要用來偵測星際塵埃的熱輻射,或是星際雲氣的分子譜線──這些特性不但對黑洞觀測很有幫助,也是在可見光底下所看不到的。前面所提的,如格陵蘭望遠鏡,便屬於次毫米波電波望遠鏡,因其波長比毫米波更短,可以得到更好的分辨率。目前的事件視界望遠鏡,整體解析度已增強到足以分辨出月球上的一顆柳丁(雖然月球上並沒有柳丁)

參與完成這項觀測的望遠鏡共有:阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA),阿塔卡瑪探路者實驗(APEX),IRAM 30米望遠鏡(IRAM),詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡(JCMT),大型毫米波望遠鏡(LMT),次毫米波陣列望遠鏡(SMA),次毫米波望遠鏡(ARO)、南極望遠鏡(SPT);其中,由中研院支援的有SMA、ALMA、JCMT。

事件視界望遠鏡(Image courtesy of EHT; from Jean-Pierre Luminet, La Recherche, Vol. 533 )

黑洞啊黑洞

那麼,黑洞到底是什麼?黑洞觀測又有什麼稀奇的呢?科學新聞或科普書裡,不是一天到晚提黑洞嗎?

下一站:黑洞1
「星際效應」電影中對黑洞的模擬圖像(圖片來源:Paramount Pictures)。

根據愛因斯坦的廣義相對論,宇宙中可能存在某些特殊的緻密天體,具有強大的重力場,以致在其附近的一定範圍內,沒有任何東西(包括光)能夠逃離──我們稱為「黑洞」;而光能夠/不能夠脫離的區域交界,稱為「事件視界」。當提到黑洞半徑,通常指涉的即為事件視界;若把地球壓縮成黑洞,那麼其事件視界半徑會比1公分略小一點。

雖然我們確實從很多天文觀測得到黑洞存在的證據,但礙於技術問題,人類卻從未直接觀測到黑洞及其事件視界;換言之,即使目前大多數科學家都肯認黑洞,但其存在還算不上是鐵錚錚的事實。況且,就算黑洞真的存在,其長相會跟我們利用電腦模擬出來的一樣嗎?恐怕也是個問號。黑洞的直接觀測,不但可一舉解決上述問題,對於黑洞的性質[2]與一些未解之謎,或許也能得到些許釐清;若運氣好,發現和理論預測不同之處,更可對未來的理論發展、甚至廣義相對論的修正帶來啟發。

我們看到了什麼?

現在(2019年4月10日),人類對黑洞直接觀測的付之闕如,正成為過去式。事件視界望遠鏡發布了最新的觀測結果,成功捕捉到超大質量黑洞M87的影像,這是第一次正式的黑洞「視覺證據」。這個影像有兩個重點,一是中間的黑洞陰影(形狀與黑洞自身的旋轉有關),二是不對稱的光暈(稱為光子環,不對稱乃黑洞陰影所致);事件視界便隱藏在黑洞陰影之內。M87具有六十五億倍的太陽質量,距離地球約5500萬光年。初步顯示,觀察到的黑洞樣貌與廣義相對論的預測吻合,但黑洞的相關細節和特性還有待後續觀察與進一步分析。

根據新聞稿,「EHT透過調校和成像方法,結果都重複顯現著中心有一黑暗區域的環狀結構:即『黑洞陰影』。Heino Falcke,EHT科學委員會主席,荷蘭Radboud大學教授解釋:『如果周圍明亮,我們預期黑洞會形成一個黑暗區域,類似陰影,這是愛因斯坦廣義相對論預測過會出現的東西,但過去從沒有人見過。』」

隨著黑洞現身,人類對宇宙的認知又更上一層樓,後續相關研究勢必如火如荼展開。黑洞的神秘面紗,不只將逐漸被掀開,我們也有幸成為歷史上首度得知黑洞樣貌的一輩。浩瀚的宇宙,埋藏著龐大的未知,等待人類的探索。

中研院記者會之後的大合照,大家手比黑洞影像的……形狀?

註釋:

  • [1] 架設格陵蘭望遠鏡的細節過程,讀者可參考這裡
  • [2] 如了解黑洞吸積盤(accretion disc)和相對論性噴流(relativistic jets),也是事件視界望遠鏡的主要目的。在此暫不多做介紹。
  • 相關資料由中研院天文所提供。
  • 部分文字由S編、y編微調編修。

文章難易度
科學大抖宅_96
33 篇文章 ・ 561 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/


0

0
0

文字

分享

0
0
0

什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

CASE PRESS_96
1 篇文章 ・ 3 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策