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從理論、懷疑到相信——人類探尋黑洞的漫漫長路(下)

歐柏昇
・2019/04/19 ・4685字 ・閱讀時間約 9 分鐘

廣義相對論與黑洞的愛恨情仇

人們常說,廣義相對論「預測」了黑洞。這句話只說對了一半──根據相對論,巨大的恆星最終無可避免變成黑洞,但是相對論的黑洞存在著問題。

1965 至 70 年之間,潘羅斯和霍金(Stephen Hawking)證明,廣義相對論預示黑洞裡存在一個密度無限大、時空曲率無限大的奇異點。在這裡,二十世紀新物理的兩大體系──相對論與量子力學並不合!

微觀的世界會發生許多量子力學的效應,相對論卻是巨觀的,並沒有關心到微觀的問題。在黑洞奇異點這個無窮小的極端狀況下,相對論無可避免地要接受量子力學的挑戰。有些物理學家試圖整合兩大體系,提出「量子重力」理論。

史蒂芬·霍金。圖/NASA

黑洞的奇異點,可能是個量子重力主導的世界。相對論預測的黑洞,所有東西掉進去就出不來,不可能有輻射。然而量子力學用機率的觀點描述世界,不再有絕對的零,承認「無中生有」的起伏,真空並不是真的空。量子重力理論,則認為重力也會有量子起伏。考慮了量子現象之後,澤爾多維奇(Yakov Zeldovich)、貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和霍金發展出一套新理論,說明黑洞不是真的那麼「黑」,事件視界會有「霍金輻射(Hawking radiation)」。

相對論的黑洞,更不可理解的是「裸奇異點」,也就是沒有被包藏在事件視界裡面、觀察者有可能與它接觸的奇異點。相對論「容許」裸奇異點出現,但是裸奇異點的存在會引發思想危機,尤其是決定論的哲學觀點。難道,它會混亂無章地,突然把遠古時代的一個事件吐出來嗎?世界上的因果關係是否會被動搖?

面對這項危機,潘羅斯提出了一個耐人尋味的方案:「宇宙審查猜想(Cosmic censorship conjecture)」。也許大自然早已設計了另一個機制,讓裸奇異點不能存在,來阻止這種奇怪的事情發生。這個猜想,物理學家至今議論紛紛。到底是我們的世界觀還無法接受這樣的挑戰,抑或是宇宙真有這樣巧妙的機制?

在現實世界尋找黑洞

我們回到現實的宇宙,該如何尋找黑洞呢?一般的恆星不會發出強烈的 X射線,但是中子星、黑洞可以,於是 X射線是尋找黑洞的線索。不過因為 X射線天文觀測必須飛離大氣層的干擾,因此發展得很晚。1971 年,新的 X射線望遠鏡觀測到一個可疑的天體──天鵝座 X-1 雙星系統。這個系統中,一顆星發出 X射線而幾無可見光,另一顆星正好相反。

錢德拉 X射線望遠鏡拍攝的天鵝座 X-1 雙星系統。圖/NASA/CXC/SAO

1974 年,索恩與霍金打賭天鵝座 X-1 是黑洞,索恩賭「是」,霍金賭「不是」。這個問題是可以得到答案的,假如發出 X射線的星體質量超過 3倍太陽質量,根據歐本海默的理論,它就無法以中子星的形式作,只能變成黑洞。

到了 1990 年,霍金趁索恩去莫斯科做研究的時候,闖入索恩在加州理工大學的辦公室,把當年的「契約」找出來,壓指印認輸。於是索恩贏得了賭注──一年份的情色雜誌。這搞到索恩的太太相當驚慌!

M87星系中央,藍色是在X射線所見到的熱氣,橘色是在電波所見到的相對論性噴流。圖/X-ray: NASA/CXC/KIPAC/N. Werner et al Radio: NSF/NRAO/AUI/W. Cotton

從 1963 年發現類星體之後,隨著了解越來越多,天文學家發現它的本質其實是「活躍星系核」,能量的供應來源,顯然是超大質量黑洞吸積物質的過程。有些活躍星系核甚至有相對論性噴流(註:「相對論性」指速度非常快,快到接近光速,必須用相對論描述)。例如 EHT 的觀測目標 M87 星系,不但有活躍星系核,還有高速而筆直的噴流。這些證據一再指出,中間有個巨大的黑洞在作怪。

我們的銀河系雖然不是活躍星系核,中央仍然有個黑洞,位在銀河系中央的人馬座A* 無線電波源。天文學家長期追蹤銀河系中央一些星體的運動軌跡,證實中央需要有個黑洞,其質量高達太陽的4百萬倍。

  • 影片說明:凱克望遠鏡長年追蹤銀河系中心的星體運動軌跡,據此計算出超大質量黑洞的性質。

2015 年 9 月,當廣義相對論百週年紀念活動如火如荼進行時,雷射干涉重力波天文台(LIGO)史上第一次接收到重力波。訊號經過分析,得知是雙黑洞合併事件,兩個分別為 36 和 29 倍太陽質量的黑洞撞在一起,最後合而為一。

經過數十年的觀測,許多天文現象,都必須用黑洞來解釋。在第一張黑洞影像出現之前,黑洞作為現實宇宙中的天體,多數天文學家沒有疑問了。

第一張黑洞的直接影像

想要看到黑洞的事件視界非常困難,因為黑洞太小了。如果有個和地球一樣重的黑洞,它的史瓦西半徑只有不到一公分。M87星系的超大質量黑洞,當然大多了,但是我們如果要從地球上看見,就必須達到驚人的解析度,差不多是要在台北看清楚蒙古草原上的一根羊毛!

在 2017 年 4 月,EHT 終於拍到史上第一張黑洞的直接影像。這是利用特長基線干涉技術,加上全球戮力合作,聚集最強大的望遠鏡組合,才有可能辦到。接著由中研院天文所等全球好幾組人馬,處理龐大的資料,分別反覆確認之後,終於在 2019 年 4 月 10 日將這個了不起的成果公諸於世。

EHT拍攝到的M87黑洞,是人類史上第一張黑洞影像。圖/EHT Collaboration

拍到黑洞照片,又能告訴我們什麼?

霍金早就向索恩認輸了,天文學家也幾乎都相信黑洞是宇宙中的天體,那為何還要大費周章拍攝一張看起來像甜甜圈的黑洞照片呢?為了證明愛因斯坦的天才嗎?

科學哲學家孔恩(Thomas Kuhn)認為,常態科學家並不是在挑戰目前的「典範(paradigm)」,而是在典範之下從事解謎活動,基本上是在處理三種問題——確定事實、將事實與理論對應、使理論連貫。

許多天文學家關注的並非「廣義相對論是否正確」,而是在此理論架構下,我們可以確定更多關於黑洞的事實。星系如何誕生、如何演化還是一個謎團,而星系中央的超大質量黑洞與此息息相關。是黑洞吃飽了才長出星系,還是星系夠大才有能力長出黑洞?還是雞生蛋、蛋生雞的問題?我們的銀河系中央也有一個大黑洞,它是否可以幫助解答銀河系的誕生,進而解答我們為什麼在這裡?

另一方面,黑洞事件視界的觀測,也是事實與理論的對應。廣義相對論不僅承認黑洞「存在」,也描述了黑洞「該長什麼樣子」。我們需要實際觀測,看黑洞是否真的長這樣。

過去我們所知的都是黑洞的間接證據,從強烈的 X射線、周邊星體的運行軌道,得知它與相對論推衍出的黑洞一致。好比說,我們在森林裡面,看到某種動物的腳印、糞便,知道牠顯然存在於附近。但是誰知道大自然不會給我們意外呢?看到牠的身影,我們更確定是我們預想的那種動物。

天文觀測不停地向黑洞本身推進,從黑洞在周圍留下的腳印,追到了黑洞的蹤影。我們無法真正看到黑洞「本身」,因為光線沒辦法從黑洞出來,但是看到黑洞的「剪影」,看見事件視界的輪廓,也確認中間真的有個不發光的洞,使我們更接近黑洞一步。

對於現實世界觀察或實驗的範疇,總會有個邊界,而科學家不斷嘗試擴展邊界。廣義相對論設下了一個能夠觀測的極限邊界,那就是事件視界,裡頭的光出不來,無法看見。如今,天文觀測終於開始觸及到理論劃下的邊界,這個開疆拓土的知識探求,令人相當興奮!

愛因斯坦本人都還沒走到這一步。他不相信黑洞存在,因為黑洞違反生活經驗。但是人類的「經驗」是不斷重新劃界的,人們的相信與懷疑經常都很短暫。科學的過程,則在理論與觀測不斷的辯證之中,挑戰知識的邊界。黑洞原來是完全超越現實經驗的,科學家先由理論洞察出黑洞的存在,如今更將其轉為可直接觀測的東西。觀測的邊界擴大,也開闊了人類的心智。原來我們生活的世界這麼有意思!

  • 影片說明:廣義相對論磁流體力學模擬,得到黑洞剪影的預期模樣(Credit:Hotaka Shiokawa)。

不斷擴大觀察的邊界,越多事實可以與理論對應。這次拍到的黑洞影像,科學家將它和廣義相對論克爾解比較,並且初步發現是一致的。利用「廣義相對論磁流體力學」的電腦模擬,得到理論預測黑洞周圍的光線分布,比較之下,確認觀測結果符合一個順時鐘旋轉的克爾黑洞。

這代表說,過去幾十年理論家的預測,至少是相當成功的。克爾找到旋轉黑洞的解,潘羅斯和霍金證明穩定的黑洞都是是克爾解,如今真正看到的黑洞,的確與此一致。

解釋黑洞,一定是用廣義相對論嗎?

我們需要留意,這張黑洞影像是與廣義相對論的預測「一致」,但不確定是否只有廣義相對論能夠解釋。EHT發表的論文說明,這次拍到的影像與與克爾黑洞一致,並且檢驗了其他幾個替代方案(包括相對論及非相對論的其他黑洞假說)。這張照片確實殺掉了幾種假說,不過還有一些理論是不被排除的,而目前仍無法分辨。

科學家不斷尋求在各種情境下測試相對論,黑洞觀測即是強重力場下的測試。黑洞是相對論可解釋的邊緣地帶,現在相對論暫時通過了測試,但是繼續測試過程中,也許會發現更多問題。

因此,觀測到事件視界並不是終點,廣義相對論與量子力學的戰場於茲揭幕。這次EHT發表的一系列論文中,第一篇第一段就談到,「在史瓦西之後超過一個世紀,在廣義相對論與量子力學統合上,黑洞仍處於基本問題的心臟地帶。」未來有更高解析度的黑洞影像,科學家將有機會測試不同重力理論的預測,而後可以繼續詢問:一定是廣義相對論嗎?

我還可以從另一個角度切入思考,一定是廣義相對論嗎?前文說過,牛頓力學也可以描述某種「黑洞」(黑星)現象,而且還與相對論預測的黑洞有幾分相似。假想一個情境,在相對論出現之前,人類就看到黑洞,說不定也會認為這是牛頓力學的成功預測?我們發覺,牛頓力學也有能力粗糙地描摹或預測黑洞,只不過歷史發展沒有給牛頓這樣的表現機會。

這意味著,不同理論可能都有能力在某些程度上成功掌握著黑洞樣貌。是誰暫時取勝,則牽涉到科學史的複雜背景。人類尋找黑洞的過程,主要是以相對論作為重力理論的典範(註:孔恩的術語),於是當科學家發覺相對論真的預測黑洞,其中包括一些牛頓力學無法說明的現象,這時就會說,相對論取得一定的成功。相對論目前成功了,但不是絕對的勝利,黑洞不見得是專屬於相對論的東西。

我們看到,理論都有成功之處,也都有侷限。在黑洞的解釋上,牛頓力學不如想像那麼失敗,而相對論與量子力學在黑洞的不合,則顯現了相對論的侷限。今天看到黑洞與相對論的預測一致,也許只是暫時的一致。量子重力或未來的其他理論,可能將更成功地解釋黑洞的觀測現象,甚至促成新的科學革命。

我們不用過度迷信愛因斯坦。不過話說回來,仍然無庸置疑的是,廣義相對論在這一百年來取得了重大的成功。當我們了解到科學理論的侷限,反而更懂得欣賞廣義相對論革命性的意義。在廣義相對論典範之下的黑洞探尋,經歷多年的相信與懷疑,終於在理論與觀測的辯證之中,把人類的心智推進到一個從未能以現實經驗想像的領域。

參考資料:

  • Bartusiak, Black Hole: How an Idea Abandoned by Newtonians Hated by Einstein and Gambled on by Hawking Became Loved. New Haven: Yale University Press, 2015.
  • Begelman, Mitchell C., and Martin J. Rees. Gravity’s Fatal Attraction : Black Holes in the Universe. Cambridge: Cambridge University Press,
  • Curiel, “Singularities and Black Holes.” Stanford Encyclopedia of Philosophy. February 27, 2019. Accessed April 15, 2019. https://plato.stanford.edu/entries/spacetime-singularities/.
  • “Event Horizon Telescope.” Event Horizon Telescope. Accessed April 15, https://eventhorizontelescope.org/.
  • Event Horizon Telescope Collaboration, et al. 2019, ApJL, 875, L1, L4, L5, L6
  • Kuhn, Thomas S. The Structure of Scientific Revolutions. Chicago, IL: University of Chicago Press,
  • Melia, Cracking the Einstein Code: Relativity and the Birth of Black Hole Physics. Chicago: University of Chicago Press, 2009.
  • Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps: Einsteins Outrageous Legacy. New York: W.W. Norton,
  • Will, Clifford M. Was Einstein Right? : Putting General Relativity to the Test. 2nd ed. Oxford, UK: Oxford University Press,
  • 史蒂芬霍金著,郭兆林、周念縈譯,《圖解時間簡史》,台北:大塊,2014。

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歐柏昇
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台大物理與歷史系雙主修畢業,台大物理碩士。現為台大物理系、中研院天文所博士生,全國大學天文社聯盟理事長。盼望從天文與人文之間追尋更清澈的世界觀,在浩瀚宇宙中思考文明,讓科學走向人群。

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「新太空 2.0」時代來臨!盤點新創太空產業的衛星部署手段

黃 正中_96
・2021/09/26 ・3448字 ・閱讀時間約 7 分鐘

近年來以美國為首,國際上民營新創太空產業如雨後春筍,以新技術、新概念吸引風險投資,挑戰傳統太空產業,稱為新太空(NewSpace)2.0。

新太空的新創公司通常規模比較小,為了增加競爭力,常以併購或合資的方式,加速產業成長;所涵蓋的範圍包括火箭、小型衛星或衛星元件等領域,以價格破壞性經營,加強與傳統太空產業的競爭。

本文將分析量產的衛星精確部署到太空軌道,提高太空任務的新功能與價值;並盤點在此潮流下創新技術,和新創的太空產業。

論「快速量產衛星」的必要

新創航太公司為了更貼近市場需求,創新衛星量產技術、使用商用(COTS)元件,快速切入市場,提高產品附加價值的新衛星功能。例如使用微衛星以每小時拍攝一次地球上任何地點,並快速提供詳細圖像;使用衛星連接地面上廣大地區,構建太空網路;或者利用衛星開採小行星高價值的稀有礦物等等。

新創衛星公司所使用商用零件,設計小型或立方衛星,儘管它們的尺寸很小,但可以共同提供功能和服務,卻比傳統衛星更大、數據產品媲美大衛星。量產衛星優點是可以一次發射許多衛星,發射費用比傳統的大衛星便宜得多,但是缺點是,設計 / 任務壽命較短。

最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)

新創公司為了發堀利基市場,開發最小可行產品(Minimum Viable Product, MVP)1。一旦建立了 MVP 衛星,新創公司再進行優化調整。MVP 為了減輕重量,加快生產速度,設計時忽略了部分功能,如推進次系統(Propulsion Subsystem)、部分姿態控制(AOCS)或沒有備份設計(backup design)等等,以便快速進入市場。

美國的 Planet Labs 公司 180 顆遙測照相衛星,Spire Global 公司 110 顆氣象服務衛星公司,或挪威的 Iceye 公司 10 顆透過雲層對地球照相的合成孔徑雷達小型衛星等等,證明 MVP 可以在很少的預算下,製造和發射衛星到太空,並傳送數據返回地球。

美國 Planet Labs 公司的 Dove satellites。圖/Planet Labs 臉書

快速量產的代價——衛星損壞率高

但是,利用商用航電元件快速製造,在太空高輻射的環境,可能面臨高衛星損壞率,例如新創 Planet Labs 公司 2設計和製造著名的 Doves Triple- CubeSat 微型衛星,2015 年創立後發射了 339 顆 3U 高解析度的 Dove 遙測立方衛星,但是 2021 年 8 月只剩下約 180 顆衛星運作中。

另外的案例 Spire Global 公司從太空觀測雲數據和分析,提高了天氣模型的預測能力。自創建以來,已發射了 140 多顆衛星,目前有 110 顆 3U 立方氣象衛星星系營運中。

SpaceX 的 Starlink 太空網路公司3,到 2021 年 9 月 14 日為止,已經發射了 1791 顆低軌通訊衛星,統計有 125 顆衛星故障或離開太空返回地球,目前太空網路擁有 1615 顆低軌衛星建構太空網路,所以新太空的高衛星損壞率,令人印象深刻。

搭公車上太空,立方衛星「以量取勝」

大量微小或立方衛星搭乘所謂的「公車火箭」到太空,若是衛星計畫經費較多,可以搭乘單個火箭進入太空。但是大部分的計劃在預算限制下,搭乘「公車火箭」到達軌道後,整“群”離開火箭,微小 / 立方衛星以一種相當不受控制的方式繞地球漂移。

福爾摩沙衛星七號衛星搭乘火箭。圖/科技部臉書

這種「下車」方式,對於遙測照像任務,「打群架」方法是有效的,但不是最佳的方式,每顆衛星都可以拍照並發送下來,但個別衛星可能會聚集在一起,從而照相送回多餘的圖像。

對於通信衛星架構,「打群架」是沒有經濟價值的,因為在不受控制的衛星群體,只能隨機覆蓋地表,對於地面用戶來說,無法定時收到監控資料,也無法忍受隨時斷訊的通訊。

新創公司的決勝關鍵:更精確的太空軌道部署

為了增加小衛星任務所產生的產品價值,未來更精確的軌道部署,將會產生革命性的決勝關鍵,每顆衛星將被更仔細、周到地放置到精確的軌道上,使整個星系的價值,大於各自執行任務的總和。

更精確的軌道部署將成為任務規劃中首要考量,當雜亂無章的群轉變成精心編排的星系,其中均勻分佈的小衛星以優化其覆蓋範圍和數據價值時,小衛星架構的價值將得到充分體現。

優化「衛星系」的兩種辦法

有兩種實現衛星系(Constellation)優化的方法,第一種是單獨發射小衛星,或者一次發射兩到三個在特殊的小型火箭上發射,這些火箭可以「隨時隨地」運送航太器,眾多的小型火箭新創公司 Rocket Lab 和 Vector Space Systems 等,瞄準此新市場,計劃將小型衛星運送到低軌太空。

這種方法存在兩個挑戰,可能無法使其適用於所有星系。首先,大型星系需要大量發射,即使每週發射一枚火箭,完全部署一個星系也可能需要數月甚至數年的時間,其次發射費用按公斤計算,總經費也不便宜。

優化星系的第二種方法是為每個小衛星配備機載推進次系統,許多衛星可以共用火箭發射,例如由 SpaceX 的 Falcon 9 或 Falcon Heavy 等發射器的低每公斤成本發射,離開火箭以後就需要耗費自身燃料,抵達任務軌道。儘管所有飛行器都將成群離開火箭,但它們可以使用各自的推進系統分散到預先選擇的各個軌道中,以優化星系均勻性。

這種方法的好處是可以利用機載推進系統提供額外的任務價值,例如通過補償阻力來延長任務壽命,重新配置星系以彌補發射失誤,或在壽命結束時使衛星脫離軌道,減少太空垃圾,但是燃料使用過多,減少任務壽命卻也無可奈何。

獵鷹 9 號將 60 顆 Starlink 衛星送入軌道。圖/SpaceX

成本太高?新型「微推進系統」問世

新太空 2.0 的新創公司,有許多小衛星沒有包含推進次系統,主要是因為技術還不夠成熟,而且成本太高,無法納入 MVP。精確部署衛星所需的推進系統成本,市場上推進系統大部分是手工建造的,對於新創公司無法負擔。設計、開發和製造過程,還沒有發展到大規模生產。

但市場對於大量製造的機載推進系統需求強大,針對此問題,美國 Orbion Space Technology 以及 ExoTerra Resources 新創公司推出霍爾效應推進器(Aurora Hall-effect thruster),以及 Tethers Unlimited、Deep Space Industries 和 Momentus 公司,亦推出水離子推進器(Water Plasma propulsion),水離子推進裝置,進入太空小型推進器的市場。

水離子推進器。圖/參考資料 5

沒錢裝推進系統?你需要的是「太空運輸」服務

針對為了節省燃料以提高壽命,以及沒有配備星載推進系統的立方 / 微衛星,美國新創太空運輸的 Momentus 公司,推出離開火箭以後,在太空將立方 / 微衛星或其他小型衛星,在太空中運輸到所需任務軌道。

義大利的 D-Orbit 公司今年(2021)5 月部署了 20 顆義大利 ION 衛星,成功示範可以改變高度和傾角的太空運輸。D-Orbit 公司並計劃於今年(2021)10 月為 Planet SuperDove 公司在太空「最後一英里的太空運輸」服務,運輸 12 顆地球遙測衛星。

但是你可知道「最後一里路」要走多久?

以我國的福爾摩沙七號衛星星系為例,衛星設計有星載的推進系統和攜帶燃料,用來調整衛星在太空的飛行軌道;福衛七號的六顆衛星於2019年6月25日發射升空,離開獵鷹九號火箭以後,總共花了 20 個月逐漸調整軌道,才將六枚衛星的軌道面布置,形成在地球上空以 60、120、180、240、300度的夾角,涵蓋全球的氣象觀測衛星星系部署。

新太空 2.0 時代來臨!將顛覆傳統衛星公司

新太空(NewSpace)2.0 顛覆甚至於威脅到傳統衛星公司,例如 Intelsat 同步軌道通信衛星公司因過時或更高的價格使他們無法與低成本寬頻通訊競爭導致破產4,同樣的澳洲衛星通訊公司 Speedcast 和為航空公司和船舶提供 Wi-Fi 服務的 Global Eagle 公司與 Intelsat 公司一樣也都負債累累。

新太空快速的行業變化,也影響了衛星地面部分;例如衛星天線製造商 Phasor 在被新創 Kymeta 用更高效率覆蓋整個 Ku 頻段衛星天線公司淘汰而申請破產。去年 OneWeb 的破產困境源於缺乏靈活性,讓 SpaceX 競爭對手以超越其技術而破產。

因此新太空的來臨,太空產業需著重技術創新,適應快速市場變遷,隨時關注市場的變化與趨勢。對於一個創新技術競爭的衛星新創參與者,摩爾定律將主導創新和開發新市場。

參考資料

  1. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  2. 〈Wikipedia〉Planet_Labs  
  3. 〈Wikipedia〉Starlink
  4. NewSpace 2.0: Moving beyond the Minimum Viable Product
  5. Water propulsion technologies picking up steam
  6. Satellite bankruptcies circa 2000 vs. 2020: We’ve come a long way!me-a-long-way

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