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當你凝視深淵:人類首度直擊黑洞真面目!──科學超抖宅報

「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。

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。

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關於作者

科學大抖宅

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。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」

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