黑洞攝影怎麼拍?七個問答來解謎——《黑洞捕手》

  • 作者/陳明堂

在加入《黑洞捕手》這場宇宙大冒險之前,你可能會對黑洞攝影這個主題有許多疑問。這個篇章,可以滿足你的好奇。

Q1. 為什麼這次黑洞照片曝光,各界這麼轟動?黑洞不是早就被證實了嗎?我還看過很多照片呢!

很多人模擬出黑洞的照片和動畫,讓許多人認為「黑洞的存在不是理所當然嗎?」。

「星際效應」電影中對黑洞的模擬圖像。圖/Paramount Pictures。

然而,雖然有許多間接證據(比如重力波)讓科學家普遍認為黑洞存在,但直到 2019 年的 4 月 10 日,才出現了第一個證實黑洞存在的視覺證據。

Q2. 如果說,黑洞會把光吸進去,那黑洞照片中怎麼會有光環?

黑洞照片中的一圈光環,並不是黑洞,而是黑洞周遭物質發出的電波。

M87 黑洞影像。 Photo credit: EHT Collaboration

黑洞是質量極大的天體,光線靠近黑洞就會被吸進去,也因此黑洞本身不發出任何的光線。不過,我們觀測的是黑洞鄰近的區域,四周的氣體因為受黑洞吸引,繞著黑洞打轉;氣體愈靠近黑洞,運動速度加快。氣體之間互相撞擊、摩擦,會產生高熱放出能量。

這些釋放出來的能量,一部分會被黑洞吸收,但也有一部分得以逃脫黑洞的引力。跑出來的能量中包含有電波的成分,天文學家可以觀測到逃逸出來的電波,得知黑洞的形狀結構。

Q3. 這麼多黑洞,要選哪一個來觀察?

宇宙裡到處都有黑洞。但是那些從地球上看到的黑洞目標,必須夠大,而且不能離我們太遠。南天的人馬座 A*,以及北天的 M87* 是現在可觀察的兩個目標。

Q4. 為什麼新聞都說,你們建造了「地球一樣大」的望遠鏡?

如果要觀察愈遠的事物,就需要愈大孔徑的望遠鏡。我們這次拍攝到的黑洞 M87,距離地球 5,500 萬光年,根據推算,需要直徑 8,000 公里的望遠鏡,才能看清楚這個黑洞的模樣。

口徑 8,000 公里的望遠鏡!怎麼可能建造呢!

格陵蘭望遠鏡。圖/wikimedia

其實,不用真的蓋這麼大的望遠鏡。科學家使用「特長基線干涉技術」,讓世界各地的望遠鏡同時觀測黑洞,並把各自觀測的數據加以整理,就可以達到跟建造「地球一樣大」的望遠鏡相同效果了。

Q5. 為什麼望遠鏡可以看到很遠的東西?

人眼想要看清楚一樣事物,有兩個必要條件:光要夠強、光進入眼睛的角度要大。

比方說,你眼前有一個甜甜圈,就很容易看清楚甜甜圈的模樣。如果把燈關了,就會看不到。這就是光的必要。再來,把甜甜圈移得離你愈來愈遠,你會發現它愈來愈小,小到變成一個點,再也無法辨識中間的洞洞了。

甜甜圈兩端反射出來的光進入眼睛時,彼此的夾角稱為「視角」。當某個事物太遠,就會導致視角太小,人眼就無法辨識該物體。望遠鏡靠著凹凸透鏡的組合,達到放大、聚光功能,來加強上述兩個條件,讓人眼可以辨識遠方的物體。

Q6. 為什麼需要這麼多種望遠鏡來觀察宇宙?

宇宙中物質會放出各式各樣的電磁波,例如可見光(人眼可見的紅橙黃綠藍靛紫)、紫外線、紅外線、X 光……。

各式各樣的望遠鏡。圖/天下文化提供

宇宙中的電磁波很容易被地球的大氣層吸收、散射;再加上人類眼睛非常局限,能看見的只有波段很窄的可見光。所以,人類若是只靠著可見光來判斷宇宙長什麼模樣,就太瞎子摸象了。有兩個做法可以改善上述情況。

  • 第一,不要只靠可見光望遠鏡,多採用不同類型望遠鏡來獲取宇宙各種類型的訊號。
  • 第二,想辦法讓把望遠鏡發射到大氣層之外,避免大氣層干擾,以接收更清楚的訊號。

先來討論第一個方法。除了最常見的可見光望遠鏡之外,還有多種不同波段的望遠鏡可以觀察宇宙(如右圖)。科學家發現,工作波段介於紅外線與微波之間的「次毫米波望遠鏡」,最擅長觀測星際氣體、恆星演化,是黑洞觀測的最佳利器,也是這次黑洞攝影的最大功臣。

只是,毫米波、次毫米波這類的波,很容易被大氣中的水氣吸收,所以這樣的望遠鏡,就必須建造在乾燥與高海拔的地方。像是智利北部的阿爾瑪陣列,就是蓋在海拔 5,000 公尺高的阿塔卡瑪沙漠中。

第二點,就是想辦法發射望遠鏡到外太空,這樣就可以避免大氣層干擾。像是哈伯望遠鏡就是在太空中工作的望遠鏡。

Q7. 事件視界望遠鏡是什麼?

EHT(Event Horizon Telescope) 是「事件視界望遠鏡」,指的是一個國際天文計畫,目的在獲得史上第一張黑洞照片。「事件視界」指的就是黑洞的邊界。

EHT 望遠鏡分布圖。圖/天下文化提供

2012 年,來自世界的天文學家開會並成立「事件視界望遠鏡」計畫,號召全球的電波望遠鏡,連線拍攝黑洞照片。

截至 2020 年 3 月,加入EHT 的望遠鏡共有 11 座。台灣參與其中 4 座的製作、運轉。(圖中有台灣圖示者)但是 2019 年 4 月曝光的黑洞照片, 是根據 2017 年底的觀測數據洗出來的照片。當時,只有 8 座望遠鏡加入 EHT 並參與拍攝。

這些分散在各地的望遠鏡,合作之後就等於超大口徑的望遠鏡。圖中望遠鏡之間的白色弧線,代表的是基線。基線愈多,代表可觀測的資料量就愈大,拍攝出來的照片就會愈清晰。

——本書摘自 2020 年 4 月選書《黑洞捕手:台灣參與史上第一張黑洞照片的故事》,2020 年 3 月,天下文化

 

 


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天下文化

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