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【特輯】人類史上首張黑洞照片即將公開,這裡是關於黑洞的那些故事

PanSci_96
・2019/04/10 ・1614字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 528 ・七年級
  • 2019/04/10 22:00 編按:黑洞正式照片相關資訊補充於文末

今日(2019年4月10日)晚上,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。

在此之前,這裡有些讓你先預習一下的資訊。

圖/截自事件視界望遠鏡之黑洞模擬影像。

首先,黑洞到底是什麼?「事件視界」又是什麼?

簡單來說,每個天體依其質量越大、會產生的重力場也就越大。如果一個天體的質量極大,其重力場大到需要比光速還快才能夠逃離,換句話說連光都逃離不了──那就是不會發出任何光(或說是電磁波)的「黑洞」了。

【名詞解釋】事件視界(Event Horizon):如果你靠近黑洞夠接近,近到連光都無法逃離的那條界線,就是事件視界。在那個界線之後我們無法探測到任何資訊,就算有個英勇的太空人抱著無線電發報器不停傳訊,在黑洞之外的我們也不可能收得到。

黑洞的觀念一開始是從理論上算出來的。1915 年,愛因斯坦發表廣義相對論,幾個月後德國的物理學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)在愛因斯坦的重力場方程式中,找到一個精確解。史瓦西的精確解導出所謂的史瓦西半徑,一個天體如果小於此臨界半徑(r=2Gm/c2,以太陽來說,約是三公里),就會因為自身重力而塌縮成黑洞。但史瓦希並不知道此一用詞,直到1967年,我們所熟悉「黑洞」才由美國物理學家惠勒(John A. Wheeler)取名。

如果光出不來,那黑洞的照片可以看到什麼?

黑洞的本體的確看不到,但質量、重力場極大的它會對周圍產生很多的影響:除了彎曲黑洞周圍星體的光線,黑洞周圍還會存在一些「發光」的現象,如黑洞在吞噬周圍星體的時候,會將撕扯恆星形成吸積盤,甚至於部分的物質還會形成黑洞噴流,這些物質的摩擦移動都有機會發射出我們可以觀測的無線電波。

「星際效應」電影中對黑洞的想像是由物理大師基普索恩親自參與理論計算模擬出來的。宏大的電影場景中,黑洞彎曲周遭光線而造成龐大的剪影,能觀測到那樣的畫面正是許多天文學家的夢想。

如果太靠近黑洞就無法逃離,那進去會怎樣?

一句話,會先被拉成麵條狀。(無誤)

由於黑洞的重力很強,而且越靠近會越強、差異也越大,這樣的重力差距會讓不管靠近黑洞的是星球太空人還是太空梭,通通被拉長。然後進入吸積盤,可能成為黑洞的一部分,也或者會成為黑洞噴流而離開。

特長基線干涉儀,那組讓你看見黑洞的超大望遠鏡

中研院天文及天文物理研究所主導的「格陵蘭望遠鏡」(GLT) 與夏威夷的次毫米波陣列 (SMA)、智利的阿塔卡瑪毫米波與次毫米波陣列 (ALMA) 連線觀測。利用特長基線干涉技術,三組大型望遠鏡形成接近地球那麼大的大三角形,相當於一個超大望遠鏡,有望拍攝到人類史上第一張黑洞的照片。

把望遠鏡搬到格陵蘭能看到什麼?觀測黑洞的瘋狂天文學家

關於黑洞,還有很多很多待解之謎

將文件切碎,你還是可以想辦法拼回來。把書燒掉,理論上你也可以辦到同樣的事。但如果把資訊傳入黑洞中,就永遠找不回來了?這是物理學家爭論已久的問題,黑洞是否如同一座終極金庫,把資訊吸入並永久蒸發,不留下任何蛛絲馬跡?

宇宙未解的秘密還有很多,黑洞是其中最令人興奮也最龐大遙遠的一個。你準備好和我們一起目睹黑洞的真面目了嗎?

今晚 20:30,全球連線直播看這裡:

  • 編按:本文部分改寫整理自延伸閱讀內文。

史上第一張黑洞照片正式公開!

黑洞的照片終於出來啦啦啦!這一張超大質量黑洞 M87 的照片是人類史上第一次的黑洞影像證據。在照片中,我們可以看到南北結構的不對稱,這與黑洞本身的自轉有關,也是未來研究的重要方向。

這跟你想像中的黑洞一不一樣呢?這次的觀測,讓我們揭開了黑洞的神秘面紗,未來,科學團隊希望追求更高的解析度。浩瀚的宇宙,仍埋藏著龐大的未知,等待人類的探索。

 

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都是星星惹的禍之「疫」薄雲天

臺北天文館_96
・2022/01/26 ・5008字 ・閱讀時間約 10 分鐘
  • 文/歐陽亮|天文愛好者,中華科技史學會會員,曾獲 2001 年尊親天文獎第二等一行獎,擔任 2009 全球天文年特展解說員。

疫情最近席捲了地球上的人類,擾亂了日常生活的規律。在這個戶外活動驟減與無法出門觀星的時刻,宇宙彼端那些遙遠的星辰們,是否也會像近來野生動物的「生態大爆發」一樣,紛紛蜂擁而出、顯現特別活躍的異象呢?

如果對宇宙尺度有些概念的人,就會知道這當然不可能。地球並不是宇宙中心,星星們怎麼會在意並企圖影響微塵般的地球呢?只不過古人並沒有被現代科學衝擊過,所以直覺上理所當然會認為地球是最重要的,其他星星的一舉一動都在暗示或警告著自以為萬物之靈的人類。於是,天文學跟疾病就有了交集,不論東方世界或西方世界都是一樣。

幾百年前,西方的占星術竟然是提供流行病爆發預報的唯一途徑。表面上看起來,這種預報似乎很有科學精神:他們先列出過去疾病大流行時刻,再與當時的天象進行比較,企圖找出兩者關係。[1]曾經在全球肆虐的黑死病,是歷史上致死人數最多的流行病,當時的占星學者就曾找出彗星、日食、木星合土星、或火木土三星在同方位等徵兆預言了這次災難。然而這有點像是現在的疫情指揮中心竟依照天空異象來發佈防疫警戒一樣荒謬,而這些預言也無法幫助那些被病魔纏身的人們脫離苦海。[2]

至於在東方的古代,中國的占星術除了預言各種宮廷禍亂與兵災饑荒之外,也可用來預測大規模的流行病,古人的字典《說文解字》說:「疫,民皆疾也。」《字林》則寫:「疫,病流行也。」都以「疫」來稱呼流行病,不過「疫」其實包含了許多種傳染病或流行病,例如鼠疫、瘧疾、天花、霍亂、流感等,占星書並沒有依病症去明確細分。現在我們當然不會再將這些預測當真,不過仍可藉此觀察一下古人會把哪些天象視為疫病徵兆,並且猜猜看為什麼會有這些聯想。

首先來看歷代正史有關「疫」的占辭。《史記.天官書》寫著「亢宿:亢為疏廟,主疾…氐為天根,主疫」(圖 1),但到了《晉書》、《隋書》、《宋史》就變成「亢宿主疾疫」,疾已擴張到疫的範圍。不過雖說亢、氐兩宿主疾疫,但是也有許多其他星官跟疫病有關。若不計牛馬等動物的疫情,就有以下幾十種天象預兆[3](二十八宿僅寫宿名,如牛宿寫為牛,但南方七宿的星宿則寫為七星):

  1. 日暈在亢、觜
  2. 月入犯牛、鬼、南河、人星
  3. 月食在壁
  4. 月暈在氐、尾、奎、柳
  5. 土星入鬼、昴、五車
  6. 火星入犯斗、鬼、井、守胃
  7. 金星入氐、犯鬼、守觜
  8. 水星犯守尾、七星、張、軫
  9. 木星守婁、觜、參、犯軫
  10. 彗星在亢、氐、人、大陵
  11. 妖星、長星出現(可能指彗星)
  12. 白色客星犯六甲
  13. 客星犯人、大陵、老人、守南河
  14. 赤流星入天市垣、犯木星
  15. 大陵中星繁

其中只有「大陵中星繁」較容易理解,因為陵指陵墓,其星若繁盛明亮就不太吉利,相較於其他天象算是比較直觀的。不過依亮度變化來占測吉凶,容易被大氣影響而難以判斷、不易應用。例如關於歷代北斗的占驗記錄只有月暈、彗星與流星,並沒有亮度的實際運用。

圖 1. 《史記.天官書》之亢宿與氐宿記載(圖右),兩星宿皆位於角宿東方(圖左) 圖/歐陽亮繪

至於日暈、月暈之類的大氣現象,在古代也被視為天文異象的一種(圖 2)。還有白蒼赤黑等各色雲氣,同樣能拿來占卜,它們也許是指大氣層內的雲霧、也可能是指極光。

圖 2. 《宋史》日暈占辭(圖右)與日暈照片(圖左)。圖/歐陽亮攝於臺北,2020 年 7 月 18 日上午 10 點

再來看古代占星術之集大成作品《開元占經》,這本由唐朝天文官瞿曇悉達所主持編纂的術書,保留許多東周時期恆星觀測數據,可視為中國最早星表[4],其記錄的星官位置與星數,依然對現在的天文史研究有幫助。而書中不常被關注的占星部份,與疫有關的占辭更是遠多於正史。[5]其中與正史重覆者包括:月暈在柳、月入南河、亢宿有彗星、木星守婁觜參、火星守胃入鬼、土入守鬼昴舍五車、金星犯鬼守觜、水星犯守尾七星軫、大陵星明、赤流星入天市垣等。

《開元占經》比較特別的是敘述了三種無疫情的徵兆:「亢星明大,民無疾疫」、「王良附路星明…萬民無疫癘之殃」、「潢星明」。由於星占的主要功能是預警,所以報憂的天象必然比報喜的數量多。另外卷九十三的季節錯亂現象則可能是曆法出現誤差所造成。

相較之下,淵源於魏晉時期的《三家星官簿贊》,只有從官與疾病有關,其他皆未提及病疫。唐代的《敦煌寫本》Pelliot chinois 2512 則提到亢宿「主疾,動,人多病」,但氐宿「主傜伇,動者,人伇苦」,與正史所主之「疫」變成同音不同字了(圖 3)。[6]其他與疾病相關的只有三個。

圖 3. 《敦煌寫本》Pelliot chinois 2512 所寫的亢氐兩宿,圖/法國國家圖書館

天文要錄》是一本類似開元占經的古書,由唐初的李鳳編撰[7],收錄了一些開元占經沒有的占星家占辭,例如昆吾、唐昧、挺生、公連、紫辨、三靈紀、勑鳳符表、九州分野星圖等。此書殘抄本在日本,且其中錯字非常多。它與開元占經的共同點是繁蕪瑣碎且矛盾,因為都是集各家占辭而成。

此書關於疫的占辭也遠超過正史[8],與正史相似的天象包括:月暈尾、辰星犯守尾、歲星守參、月守凌鬼、熒惑入舍居守鬼、填星入留舍守鬼、太白入留舍鬼、辰星守凌七星、大陵星繁、月行南河中、客星守南河等。若再跟正史與《開元占經》都有的天象相比,交集頗多(包括辰星犯守尾與七星、歲星守參、熒惑入鬼、填星入鬼、太白入鬼、大陵星繁、月行南河中等),原因是由於兩書其實有部份來源相同。

值得注意的是,《開元占經》與《天文要錄》同時記載了行星跑到天津、螣蛇、王良、閣道、文昌、北斗等星官(圖 4),甚至還能進入紫微與北極(圖 5)!而在南方竟然也可犯軍市、野雞、天廟等非常遠的星官。這是不可能發生的天象,因為這些星官離黃道至少 30 度。[9]目前已知五大行星大約都在黃道上下 10 度以內運行,若考慮東周時期測量誤差最多可達 7 度[10],並放寬為 10 度,兩者相加也頂多 20 度。兩千年前若真的有五星脫離黃道面南北各 30 度的劇烈變動,那麼現在我們應該難以預測它們的軌道。

圖 4. 天津、螣蛇、王良、閣道等星官距離黃道(左下方)至少 30 度。圖/歐陽亮繪
圖 5. 文昌、北斗、紫微與北極距離黃道(右下方)至少 30 度。圖/歐陽亮繪

除此之外,這兩本占書還描述了更詭譎的現象,變色、變暗、變不見都不稀奇,有個「卷舌」星官竟然能夠變直或舒張(圖 6)!若有同好親眼看見,請先確認是否認錯星或酒精濃度偏高,若都沒有,請趕緊拍照並連絡天文館。另外書中還有北斗晝見、月犯北斗、月掩北斗,也是令人驚異但不會出現的天象。

圖 6. 《天文要錄》的卷舌占辭(圖右),同一占辭在《開元占經》則寫為:「卷舌星曲如舌,即吉;舌直,天下多口舌之害」。卷舌星官位於五車旁。圖/歐陽亮繪

乙巳占》是由唐代傳奇人物李淳風所撰,但沒有他另一本預言著作《推背圖》有名。此書「採摭英華,刪除繁偽」,比起同時代的《天文要錄》或是稍晚數十年的《開元占經》都精簡許多,因為李淳風對占星術的看法比較有個性,認為「多言屢中,非余所尊」,並不尊崇靈驗,而是將之視為一種「權宜時政,斟酌治綱,驗人事之是非,托神道以設教」的輔政措施。若「天降災祥以示其變」,就是在提醒帝王修德以禳之。他還用「唯爾學徒,幸勿膠柱」來指導後學者,不過唐宋之後各種因素讓古占星術逐漸沒落,反而是占卜個人命運的另一種占星術風行起來,這應該是李淳風預想不到的吧?

此書刪去許多不可能發生的凌犯[11],有關疫病者也較少,其中與正史相近的天象包括:月犯鬼、熒惑守胃、熒惑入鬼、太白入氐入鬼、彗星出氐。相同於前述兩書與正史交集者,只有熒惑入鬼、太白入鬼兩筆。這也許是由於鬼宿的字面意思所造成的聯想?

占星術是統計學嗎?

地球上常有疾病流行,天上也常出現古書所寫的疫病徵兆,兩者皆五花八門不可勝數,而正史與占書都記載過的「疫」象交集,就一定跟疫情有顯著關連嗎?其實,統計上常常有看似相關卻沒有因果關係的例子,若不問因果,只是強行找出相關性,有時候反而會被誤導得更嚴重。占星的原則是「凡天變,過度乃占[12],只對異象占卜,不占卜經常出現的,否則各種災變就會有難以置信的週期性,降低占星家自己的可信度。不過在某些週期尚未發現前,古人就先用來占卜了,例如《開元占經》蒐集的古籍資料中就有許多行星逆行或守於某宿,但對於現代人來說,只是再平常不過的現象罷了。

另外,占辭會依星官重要性而設定,因此遠離黃道的重要星官(如北極)也會有五星凌犯占辭,而在黃道附近但不重要的小星官就不太記載五星犯守了。這很明顯地說明,號稱是大數據資料庫的占星術並不是依靠曾經發生過而記錄下來的統計,而是占星家為了用異象占卜,憑空想像出五星犯紫微或北極等過度奇異的天象。科學最基本的原則是「符合觀測」,但是這些古書顯示,占星術並沒有達到這個標準。[13]書中許多聳人聽聞的災禍,就像現在網路上容易被轉傳的疫情謠言一樣,都是不知真假、難以查證、讓人看到的當下常震驚到「不能只有我看到」。你想要相信純粹想像而非統計出來的古書,還是不斷依觀測而修正的科學呢?

附註

  1. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,遼寧教育出版社,2005,頁 193。
  2. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,頁 131。
  3. 各正史之原文詳列於此連結,至於形容行星運動之「近犯合乘出入居處宿舍留守」等現象可參考盧央《中國古代星占學》,中國科學技術出版社,2007,頁 403~405。
  4. 潘鼐《中國恆星觀測史》,上海學林出版社,2009,頁 77。
  5. 《開元占經》相關占辭資料詳列於此連結
  6. 資料來源:法國國家圖書館
  7. 此書記錄了兩筆甘氏星官觀測數據,說明甘氏星表曾經存在。詳見潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 99。
  8. 天文要錄》相關占辭資料詳列於此連結
  9. 上述星官即使因歷代變遷,位置也未曾偏移超過 20 度以上。接近星官創始期的石氏星表雖然曾被質疑是後人在唐代才測得,但仍可比較唐宋之際星官改變,詳見《所謂名字,能流傳多久不變?古星象流傳千年的轉變─石氏星表與宋代星表之比較》。比較結果可發現,兩星表的星官變化不大,故不是星官變遷所造成的問題。
  10. 潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 32。
  11. 此書註解指出:「攝提非月行之所及」,因為攝提距離黃道 20 度,不過無法確定註解是否本人所作。《乙巳占》相關占辭資料詳列於此連結
  12. 語出司馬遷《史記.天官書》。
  13. 即使有部份占辭真的應驗,也可能是被人為處理過、或事後諸葛找出的對應關係,詳見趙貞《唐宋天文星占與帝王政治》,北京師範大學出版社,2016,頁 278。

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