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你想知道的黑洞 QA 大集結:為什麼拍到銀河系中心的黑洞很重要?如何能看到黑洞?

研之有物│中央研究院_96
・2022/08/13 ・6097字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

有限的資源,不可能的任務

2022 年 5 月 12 日是個大日子,這天人類終於獲得了第二顆黑洞的觀測影像!這顆黑洞稱為人馬座 A 星(Sagittarius A*, Sgr A*),它就位於我們銀河系家園的中心。為了成功拍到 Sgr A* ,天文學家必須克服重重困難,包含黑洞周圍的環繞物質變動太快,或是宇宙塵埃與星雲的雜訊干擾等。不過,黑洞和我們日常生活有關嗎?為什麼看見黑洞這麼重要?科學家又是如何找到這顆黑洞呢?中央研究院「研之有物」專訪院內天文及天文物理研究所通信研究員賀曾樸院士,請他解答我們對於黑洞的各種好奇!

中研院天文所通信研究員賀曾樸院士,曾擔任中研院天文所所長 10 年,至今仍持續推動天文學進展,積極提攜後進。圖/研之有物

仰望銀河系的中心:一個超大質量的緻密天體

天文學家很早就開始有系統地觀察銀河系中心的電波訊號。在 1933 年 Karl Jansky 透過他架設的天線裝置,首次記錄到位於人馬座的銀河系中心有 20 MHz 的未知電波發射源。因此,後續的電波天文學研究,對於銀河系中心一直很感興趣,並且把這個電波源稱為人馬座 A 星(Sagittarius A*, Sgr A*)。

賀院士在訪談中提到,中研院天文所的前籌備處主任(所長)魯國鏞院士,在 1985 年讀博士時,對銀河系中心電波源做了最早的干涉儀測量,當時魯院士推測這個來源可能是個大質量黑洞。

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接著 1992 年開始,兩位天文學家 Andrea Ghez 和 Reinhard Genzel,利用先進干涉儀器觀測銀河系中心周圍的恆星運動長達 20 多年,他們發現這些恆星的橢圓軌道似乎都圍繞著一個共同的焦點(如下圖)。

試問宇宙中有「誰」重力這麼大、空間範圍卻又這麼小呢?超大質量黑洞是最合理的解釋。這也讓 Ghez 和 Genzel 獲得 2020 年諾貝爾物理獎的榮耀,原因是「發現銀河系中心是一個超大質量的緻密天體」;另一位得獎主是 Roger Penrose,原因是「證明廣義相對論能夠可靠地預測黑洞的形成」。

天文學家 Andrea Ghez 和 Reinhard Genzel,利用先進干涉儀器觀測銀河系中心的恆星運動長達 20 多年,他們發現這些恆星的橢圓軌道都圍繞著一個共同的焦點,超大質量黑洞是最合理的解釋。資料來源/UCLA Galactic Center Group

至此,科學家已經得知銀河系中心黑洞可能存在,接下來就需要找到黑洞存在的直接證據:看見黑洞。

事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)聯盟於 2017 年創立,串連全世界研究人員一同構建出足以觀測黑洞的電波望遠鏡陣列,同年(2017)完成兩個超大質量黑洞的初步觀測——銀河系中心黑洞 Sgr A* 與 M87 星系中心黑洞,當時有 8 座電波望遠鏡一同貢獻解析力,中研院就參與了 3 座望遠鏡(SMA、JCMT、ALMA)的研發、建造與運作。

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2019 年 4 月 10 日,人類獲得了史上第一張黑洞的照片!首次看見 M87 星系中心的超大質量黑洞,有明確的中心陰影和周圍明亮的環狀結構。

2022 年 5 月 12 日,我們終於揭開銀河系中心黑洞的秘密,獲得人馬座 A 星的直接影像證據,這是我們可觀察到距離最近的黑洞,也是目前唯二能夠觀測到的黑洞!

銀河系中心的黑洞影像,又稱為人馬座 A 星(Sgr A*)。資料來源/EHT

質量高達太陽的 4 百萬倍?銀河系「小」巨獸,人馬座 A 星

人馬座 A 星(Sgr A*)就像一隻「小」巨獸,說它巨,是因為 Sgr A* 的陰影直徑為太陽的 43 倍,質量高達太陽的 4 百萬倍,這是住在地球的我們難以想像的。不過和 M87 黑洞一比,Sgr A* 又顯得很「小」,因為 M87 黑洞陰影直徑為 Sgr A* 的 2,000 倍,質量是 Sgr A* 的 2,000 倍!(如下圖)。

人馬座 A 星(Sgr A*)和 M87 黑洞的大小比較,M87 黑洞直徑是 Sgr A* 的 2,000 倍,質量也是 Sgr A* 的 2,000 倍。資料來源/中研院天文所

奇妙的是,如果從地球上觀測人馬座 A 星和 M87 黑洞,兩個黑洞看起來會差不多大!Why?這是因為人馬座 A 星距離地球的距離,又比 M87 黑洞近了約 2,000 倍。從地球上看這兩個黑洞,剛好在天空形成一樣大的張角[註 1]

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從圖片可以看到,人馬座 A 星和 M87 黑洞的結構很類似,周圍都有發光的環狀結構(吸積盤)、中心陰影也都很明顯。不過,要如何在地球上看見黑洞呢?

首先,不能用光學望遠鏡,必須使用電波望遠鏡看黑洞。電波和可見光的主要差別是波長,可見光的波長平均 0.5 微米左右,EHT 的電波望遠鏡觀測波長則約 1 毫米,兩者大約相差 2,000 倍。

賀院士強調,為了接收到遙遠星系的訊號,必須選擇不受塵埃影響的波長,電波的波長比灰塵要大得多,因此可以穿透塵埃,收到來自銀河系中心的訊號。反之,可見光很容易就會被塵埃擋住。

為了接收到遙遠星系的訊號,必須選擇不受塵埃影響的波長,電波的波長比灰塵要大得多,因此可以穿透塵埃,收到來自銀河系中心的訊號。資料來源/EHT、中研院天文所

不過,就算是銀河系中心,還是離我們很遠,要如何看得清楚?

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賀院士說,波長和電波望遠鏡的「視力」(角解析度)有關,波長愈小、角解析度越好。因此波長也不能太大,否則會導致最終影像解析度不足,並影響天線精確度。

在技術和建置成本考量下, EHT 選擇次毫米波波長(0.5 毫米~1 毫米),1 毫米是目前最適合的觀測波長,可輸出黑洞影像解析度 3*3 像素。

咦?圖片解析度只有 3*3 像素?其實電波望遠鏡的「視力」(角解析度)已經非常高!這次觀測到人馬座 A 星的陰影直徑張角約 50 微角秒,是天空張角一度的一億分之一,相當於從地球看月球上一塊甜甜圈的大小。未來,EHT 觀測波長將使用 0.5 毫米(660 GHz)來獲得更高解析度,預計可達 15*15 像素。

未來在格陵蘭望遠鏡(GLT)和高頻觀測的技術支援下,黑洞照片解析度可望提升到 15×15 像素,圖片中為 M87 黑洞。資料來源/研之有物

除了波長之外,電波望遠鏡口徑也是影響角解析度的因子,口徑越大、角解析度越好。但是我們不可能做出和地球一樣大的望遠鏡,為了讓地表有限的電波望遠鏡模擬出巨大望遠鏡的效果,必須使用特長基線干涉(Very-long-baseline interferometry, VLBI)技術,讓不可能化為可能。

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VLBI 技術採用口徑合成(Aperture synthesis)的方式,當地球自轉時,地表上的望遠鏡可以在不同時間逐漸涵蓋訊號接收範圍,目的是讓世界各地的 EHT 望遠鏡陣列產生等同於地球直徑般的巨大望遠鏡效果,請參考以下影片。

事件視界望遠鏡協作方式。資料來源/中研院天文所、EHT

這意味著我們要從有限的視野去看黑洞,因此科學家使用原子鐘、同步器來確保每個望遠鏡的訊號同步,每個望遠鏡內有超導體接收器來準確接收訊號,因為電波訊號溫度相當低(僅 3K)。最關鍵的是,研究人員要非常瞭解可能產生的偏誤,例如地球自轉、大氣層影響、星際散射等,逐步修正數據。

特別是銀河系中心黑洞 Sgr A*,除了要排除眾多塵埃和星雲的干擾之外,由於 Sgr A* 距離地球較近,尺寸又小,所以周圍物質繞一圈的時間比 M87 黑洞快很多,地球自轉速度跟不上。因此,當我們在地表使用 VLBI 技術去觀測 Sgr A* 時,就好像在拍一隻不斷快速追著尾巴跑的狗狗,增加了影像分析的困難。

目前天文學家已經有一套成熟的除錯方法,將混亂的原始資料校正梳理成我們看到的黑洞影像。2017 年收到初步觀測數據之後,研究團隊需要排除眾多干擾和錯誤訊號,因此直到 2022 年才能正式公開影像。本次取得的銀河系中心黑洞影像,無疑將人類對黑洞的認知更往前推進。

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有關黑洞的 QA 集結!

接下來,「研之有物」編輯團隊為讀者收集了一些有趣的問題,一起來看賀院士如何回答吧!

為什麼拍到黑洞很重要?科學家為何高度關注?

黑洞是宇宙中重力最強的地方,在事件視界之內,光和資訊都無法逃脫,我們如果可以拍到想像中「看不到」的黑洞將會非常有趣。

2022 年的人馬座 A 星和 2019 年的 M87 黑洞都屬於超大質量黑洞,也就是質量有太陽的幾十萬到幾十億倍以上。這類黑洞存在各個星系中心,我們目前還不知道這類黑洞如何形成,因此需要更多黑洞影像的直接證據做確認,例如溫度多高、密度多少等。

從理論上來看,黑洞的觀測證據也有助於我們驗證愛因斯坦的相對論是否正確。

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為什麼目前只拍到兩個黑洞?其他黑洞呢?

因為宇宙中很多小型的黑洞還無法觀測到,以目前 EHT 的角解析度來說,我們可以拍到最大的黑洞是 M87 黑洞,最近的黑洞是人馬座 A 星。在未來 10 年內,當提高角解析度時,將能夠捕捉到其他星系中的超大質量黑洞照片。

為什麼每個星系中心都會有一個超大質量黑洞呢?

天文學家還不知道這種超大質量黑洞如何形成,以及為什麼會位於星系的中心。目前只知道,超大質量黑洞位於每個星系重力位能井的中心。然而,超大質量黑洞有可能在宇宙誕生初期就已經形成,成為星系生成的「種子」。

天文學家如何定位銀河系的中心?

因為在一個星系中,所有恆星都會圍繞著星系的中心旋轉,就像我們太陽系的行星也會繞著太陽旋轉一樣。因此,我們可以從旋轉運動去找到銀河系最中心的位置。獲得諾貝爾物理獎的 Genzel 和 Ghez,他們就是去觀測銀河系中心附近快速旋轉的恆星,精準確認位於軌道焦點的超大質量緻密天體(也就是黑洞)之位置。

為什麼銀河系中心的黑洞會有三個特別亮的區域?為何 M87 黑洞周圍沒有這三個亮區呢?

人馬座 A 星周圍環狀結構的三個亮點,可能與周圍物質快速旋轉的擾動有關。這些亮點存在的時間尺度約在數分鐘至數小時,我們的觀測解析度可以捕捉到這些變化。而 M87 黑洞的環狀結構,也有可能存在這些亮點,但是 M87 黑洞構造的時間變化尺度更長,我們目前的觀測解析度還無法看到。

為什麼觀測銀河系中心黑洞和 M87 黑洞時,黑洞的旋轉軸都是對著地球呢?

黑洞的旋轉軸是由黑洞在形成過程中所累積的總角動量來決定。因此,黑洞轉軸可以是任意方向,取決於這顆黑洞過去的歷史。不過,因為黑洞旋轉軸剛好和我們的視線垂直的機率很低,因此我們很可能總是看到黑洞旋轉軸以某種角度指向地球。

黑洞影像是人去上色的,為什麼選溫潤的紅橘色而不是藍色呢?

因為幾乎所有的天文數據都是用可見光以外的波長去取得,所以儀器收集到的光其實人眼並不可見。在 EHT 計畫中,我們看到的是次毫米波長的光(波長約 1mm),天文學家使用具有代表性的顏色為圖像「上色」。

使用紅橘色來表示黑洞環狀結構,是為了傳達一個概念:環的溫度非常高,黑洞周圍的吸積物質溫度比太陽熱得多。雖然在天文學上藍色天體溫度更高,但我們採用一般大眾熟知的「紅 = 熱」的概念。

黑洞的「背面」看起來會如何?會和目前照片類似嗎?

從宇宙的另一端,我們也會看到環狀結構,因為黑洞中心強大的重力場,會讓光線像穿過「透鏡」一般產生彎曲,這就是「重力透鏡效應」。

然而,從背面觀測還是有不太一樣的地方。以 M87 黑洞為例,從地球看過去,黑洞環比較亮的底部區域,是由都卜勒加速(Doppler boosting)造成,環的亮部正在向觀察者移動。

反之,如果從 M87 黑洞的「背面」看過去,環的底部區域將遠離觀察者,頂部區域會向觀察者移動,因此黑洞「背面」的觀察者將看到環的頂部區域特別亮。

黑洞會吸收能量和排放能量嗎?吸收的量是否等同排放的量?

無論是愛因斯坦的理論預測和觀測結果都指出,在黑洞陰影內的所有輻射,都將向黑洞中心彎曲,黑洞陰影的邊界約為事件視界的 2.5 倍大。

所謂事件視界,就是所有光和物質都被黑洞吸進去的邊界,光和物質的能量會被黑洞吸收。在事件視界和陰影邊界的中間地帶,光和物質則被黑洞「捕捉」在一個緊密的軌道上。在陰影之外,光和物質才得以逃脫。

因此實際上,黑洞只會吸收輻射,不會放出輻射[註 2]。我們看到的輻射(光環),以及看不到的輻射(被黑洞吸入事件視界),這些輻射都來自黑洞周圍的吸積物質。

黑洞和人類的生活有什麼關係呢?(比如太陽、月亮就影響地球人類的生活:潮汐、晝夜等)

黑洞都離地球相當遠,作為恆星終結狀態的小黑洞亦然。因此黑洞透過輻射或重力對地球的影響,與太陽相比之下幾乎可以省略不計。然而,也正是人馬座 A 星的超大質量,讓銀河系盤面上的恆星都繞著銀河系旋轉,公轉一圈約需 2 億年。因此,我們在地球天空看到的恆星和星系也是在這個時間尺度內不斷變化。

另外,在純理論考量之下,如果人類可以利用物質落入黑洞周圍吸積盤所釋放的能量,將會比核能發電更有效率。這是因為釋放的能量接近於物質的質量當量,而來自核分裂或核融合的核能僅釋放出質量當量的很小一部分。雖然現在聽起來有點科幻,但是當年瑪麗居禮(Marie Curie)首度發現放射性材料之後,人類其實很快就能夠製造出核反應爐。

註解

  • 註 1:因此,雖然 Sgr A* 黑洞比 M87 黑洞距離地球還要近,但是因為直徑也更小,故兩者最終圖片解析度都是 3*3 像素。
  • 註 2:理論上,黑洞會釋放相當微弱的「霍金輻射」(Hawking radiation),但過程會非常非常緩慢。目前天文學家尚未觀測到霍金輻射。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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快速通道與無盡地界:科幻作品裡的黑洞——《超次元.聖戰.多重宇宙》
一起來
・2024/02/08 ・4428字 ・閱讀時間約 9 分鐘

星際捷徑

一個無底深淵怎能成為星際飛行的捷徑呢?原來按照愛因斯坦的理論,黑洞是一個時空曲率趨於無限大——也就是說,時空本身已「閉合」起來的區域。但往後的計算顯示,若收縮的星體質量足夠大的話,時空在閉合到某一程度之後,會有重新開敞的可能,而被吸入的物體,將可以重現於宇宙之中。只是,這個「宇宙」已不再是我們原先出發的宇宙,而是另一個宇宙、另一個時空(姑毋論這是甚麼意思)。按照這一推論,黑洞的存在,可能形成一條時空的甬道(稱為「愛因斯坦-羅森橋接」),將兩個本來互不相干的宇宙連接起來。

這種匪夷所思的推論固然可以成為極佳的科幻素材,但對於克服在我們這個宇宙中的星際距離,則似乎幫助不大。然而,一些科學家指出,愛因斯坦所謂的另一個宇宙,很可能只是這一宇宙之內的別的區域。如果是的話,太空船便可由太空的某處飛進一個黑洞之內,然後在遠處的一個「白洞」(white hole)那兒走出來,其間無須經歷遙遠的星際距離。把黑洞和白洞連結起來的時空甬道,人們形象地稱之為「蛆洞」、「蛀洞」或「蟲洞」(wormhole)。

科幻作品裡常以穿越蟲洞作為星際旅行的快速通道。圖/envato

「蛆洞」是否標誌著未來星際旅行的「捷徑」呢?不少科幻創作正以此為題材。其中最著名的,是《星艦奇航記》第三輯《太空站深空 9 號》(Deep Space Nine, 1993-1999),在劇集裡,人類發現了一個遠古外星文明遺留下來的「蛆洞」,於是在旁邊建起了一個龐大的星際補給站,成為了星際航運的聚散地,而眾多精彩的故事便在這個太空站內展開。

我方才說「最著名」,其實只限於《星艦》迷而言。對於普羅大眾,對於「蛆洞」作為星際航行手段的認識,大多數來自二○一四年的電影《星際效應》(Interstellar,港譯:《星際啟示錄》),其間人類不但透過蛆洞去到宇宙深處尋找「地球 2.0」(因為地球環境已大幅崩壞),男主角更穿越時空回到過去,目睹多年前與年幼女兒生離死別的一幕。電影中既有大膽的科學想像,也有感人的父女之情,打動了不少觀眾。大家可能有所不知的是,導演基斯杜化.諾蘭(Christopher Nolan, 1970-)邀請了知名的黑洞物理學基普.索恩(Kip Thorne, 1940-)作顧問,所以其中所展示的壯觀黑洞景象,可不是憑空杜撰而是有科學根據的呢!

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星際效應裡的黑洞景象。圖/wikimedia

那麼蛆洞是否就是人類進行星際探險的寄託所在呢?

然而事情並非這麼簡單。我們不要忘記,黑洞的周圍是一個十分強大的引力場,而且越接近黑洞,引力的強度越大,以至任何物體在靠近它時,較為接近黑洞的一端所感受到的引力,與較為遠離黑洞的一端所感受到的,將有很大的差別。這種引力的差別形成了一股強大之極的「潮汐張力」(tidal strain),足以把最堅固的太空船(不要說在內的船員)也撕得粉碎。

潮汐張力的危險不獨限於黑洞,方才提及的中子星,其附近亦有很強的潮汐力。 拉瑞.尼文(Larry Niven, 1938-,港譯:拉利.尼雲)於一九六六年所寫的短篇〈中子星〉(Neutron Star),正以這一危險作為故事的題材。

尤有甚者,即使太空船能抵受極大的潮汐力,在黑洞的中央是一個時空曲率趨於無限,因此引力也趨於無限的時空「奇點」(singularity)。太空船未從白洞重現於正常的時空,必已在「奇點」之上撞得粉碎,星際旅程於是變了死亡旅程。

然而,往後的研究顯示,以上的描述只適用於一個靜止的、沒有旋轉的黑洞,亦即「史瓦西解」所描述的黑洞。可是在宇宙的眾多天體中,絕大部分都具有自轉。按此推論,一般黑洞也應具有旋轉運動才是。要照顧到黑洞自旋的「場方程解」,可比單是描述靜止黑洞的史瓦西解複雜得多。直至一九六三年,透過了紐西蘭數學家羅伊・卡爾(Roy Kerr, 1934-)的突破性工作,人類才首次得以窺探一個旋轉黑洞周圍的時空幾何特性。

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圖/envato

旋轉的黑洞

科學家對「卡爾解」(The Kerr solution)的研究越深入,發現令人驚異的時空特性也越多。其中一點最重要的是:黑洞中的奇點不是一個點,而是一個環狀的區域。即只要我們避免從赤道的平面進入黑洞,理論上我們可以毋須遇上無限大的時空曲率,便可穿越黑洞而從它的「另一端」走出來。

不用說,旋轉黑洞(也就是說,自然界中大部分的黑洞)立即成為科幻小說作家的最新寵兒。

一九七五年,喬.哈德曼(Joe Haldeman,1943-)在他的得獎作品《永無休止的戰爭》(The Forever War, 1974)之中,正利用了快速旋轉的黑洞(在書中稱為「塌陷體」——collapsar)作用星際飛行——以及星際戰爭得以體現的途徑。

由於黑洞在宇宙中的分佈未必最方便於人類的星際探險計劃,一位科學作家阿德里安.倍里(Adrian Berry,1937-2016)更突發奇想,在他那充滿想像的科普著作《鐵的太陽》(The Iron Sun, 1977)之中,提出了由人工製造黑洞以作為星際轉運站的大膽構思。

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要特別提出的一點是,飛越旋轉黑洞雖可避免在奇點上撞得粉碎,卻並不表示太空船及船上的人無須抵受極強大的潮汐力。如何能確保船及船員在黑洞之旅中安然無恙,是大部分作家都只有輕輕略過的一項難題。

此外,按照理論顯示,即使太空船能安然穿越黑洞,出來後所處的宇宙,將不是我們原先出發的那個宇宙;而就算是同一個宇宙,也很可能處於遙遠的過去或未來的某一刻。要使這種旅程成為可靠的星際飛行手段,科幻作家唯有假設人類未來對黑洞的認識甚至駕馭,必已達到一個我們今天無法想像的水平。

然而,除了作為星際飛行途徑,黑洞本身也是一個怪異得可以的地方,因此也是一個很好的科幻素材。黑洞周圍最奇妙的一個時空特徵,就是任何事物——包括光線——都會「一進不返」的一道分界線,科學家稱之為「事件穹界」(event horizon)。這個穹界(實則是一個立體的界面),正是由當年史瓦西計算出來的「史瓦西半徑」(Schwarzschild radius)所決定。例如太陽的穹界半徑是三公里,也就是說,假若一天太陽能收縮成一個半徑小於三公里的天體,它將成為一個黑洞而在宇宙中消失。「穹界」的意思就是時空到了這一界面便有如到了盡頭,凝頓不變了。

圖/envato

簡單地說,穹界半徑就是物體在落入黑洞時的速度已達於光速,而相對論性的「時間延長效應」(time dilation effect)則達到無限大。對太空船上的人來說,穿越界面的時間只是極短的頃刻,但對於一個遠離黑洞的觀測者,他所看到的卻是:太空船越接近界面,船上的時間變得越慢。

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而在太空船抵達界面時,時間已完全停頓下來。換句話說,相對於外界的人而言,太空船穿越界面將需要無限長的時間!

無限延長的痛苦

了解到這一點,我們便可領略波爾.安德遜(Poul Anderson, 1926-2001)的短篇〈凱利〉(Kyrie, 1968)背後的意念。故事描述一艘太空船不慎掉進一個黑洞,船上的人自是全部罹難。但對於另一艘船上擁有心靈感應能力的一個外星人來說,情況卻有所不同。理由是她有一個同樣擁有心靈感應能力的妹妹在船上,而遇難前兩人一直保持心靈溝通。由於黑洞的特性令遇難的一剎(太空船穿越穹界的一剎)等於外間的永恆,所以這個生還的外星人,畢生仍可在腦海中聽到她妹妹遇難時的慘叫聲。

安德遜這個故事寫於一九六八年,可說是以黑洞為創作題材的一個最早嘗試。

短篇〈凱利〉便是利用黑洞的特性——遇難的一剎等於外間的永恆——使生還者感受無盡的痛苦。圖/envato

太空船在穹界因時間停頓而變得靜止不動這一情況在阿爾迪斯一九七六年寫的《夜裡的黑暗靈魂》(The Dark Soul of the Night)中,亦有頗為形象的描寫。恆星的引力崩塌,在羅伯特.史弗堡(Robert Silverberg)的《前往黑暗之星》(To the Dark Star, 1968)之中卻帶來另一種(雖然是假想的)危險。故事中的主人翁透過遙感裝置「親身」體驗一顆恆星引力塌陷的過程,卻發覺時空的扭曲原來可以使人的精神陷於瘋狂甚至崩潰的境地。

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以穹界的時間延長效應為題材的長篇小說,首推弗雷德里克.波爾(Frederik Pohl, 1919-2013)的得獎作品《通道》(Gateway, 1977),故事描述人類在小行星帶發現了由一族科技極高超的外星人遺留下來的探星基地。基地內有很多完全自動導航的太空船,人類可以乘坐這些太空船穿越「時空甬道」抵達其他的基地,並在這些基地帶回很多珍貴的,因此也可以令發現者致富的超級科技發明。

故事的男主角正是追尋這些寶藏的冒險者之一。他和愛人和好友共乘一艘外星人的太空船出發尋寶,卻不慎誤闖一顆黑洞的範圍。後來他雖逃脫,愛人和好友卻掉進黑洞之中。但由於黑洞穹界的時間延長效應,對於男主角來說,他的愛人和好友永遠也在受著死亡那一刻的痛苦,而他也不歇地受著內疚與自責的煎熬。

故事的內容由男主角接受心理治療時逐步帶出。而特別之處,在於進行心理治療的醫生不是一個人,而是一副擁有接近人類智慧的電腦。全書雖是一幕幕的人機對話,描寫卻是細膩真摯、深刻感人,實在是一部令人難以忘懷的佳作。

圖/envato

由於這篇小說的成功,波氏繼後還寫了兩本續集:《藍色事件穹界以外》(Beyond the Blue Event Horizon, 1980)及《希徹會晤》(Heechee Rendezvous, 1984)。而且兩本都能保持很高的水準。

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時間延長效應並非一定帶來悲劇。在先前提及的《永無休止的戰爭》的結尾,女主角正是以近光速飛行(而不是飛近黑洞)的時間延長效應,等候她的愛侶遠征歸來,為全書帶來了令人驚喜而又感人的大團圓結局。

七○年代末的黑洞熱潮,令迪士尼(Walt Disney)的第一部科幻電影製作亦以此為題材。在一九七九年攝製的電影《黑洞》(The Black Hole)之中,太空船「帕魯明諾號」在一次意外中迷航,卻無意中發現了失蹤已久的「天鵝號」太空船。由於「天鵝號」環繞著一個黑洞運行,船上的人因時間延長效應而衰老得很慢。這艘船的船長是一個憤世疾俗的怪人,他的失蹤其實是故意遠離塵世。最後,他情願把船撞向黑洞也不願重返文明。

比起史提芬.史匹堡(Steven Spielberg, 1946-)的科幻電影,這部《黑洞》雖然投資浩大,拍來卻是平淡乏味,成績頗為令人失望。除了電影外,科幻作家艾倫.迪安.霍斯特(Alan Dean Foster, 1946-)亦根據劇本寫成的一本同名的小說。

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——本文摘自《超次元.聖戰.多重宇宙》,2023 年 11 月,二○四六出版,未經同意請勿轉載。

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諦聽宇宙深處的低吟,宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・3782字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 作者/陳哲佑
    • 任職於日本理化學研究所,專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
    • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(NANOGrav)團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
    • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」(PTA),測量各脈衝星訊號到達的時間,計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
    • PTA 得到的重力波訊號相當持續,沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月,位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號(請見延伸閱讀 1)。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」的成功,更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在,我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測,還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙,甚至還有同時結合兩者的多信使天文學(multi-messenger astronomy)註1,皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊(請見延伸閱讀 2)。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息,重力波也有不同的頻譜,且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例,系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比,因此當系統中黑洞的質量愈大,它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺:LIGO、處女座重力波團隊(The Virgo Collaboration, Virgo),以及神岡重力波探測器(Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT)都受限於干涉儀的長度,只對頻率範圍 10~1000 赫茲(Hz)的重力波有足夠的靈敏度,此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

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然而,來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲(Nano Hertz,即 10-9 Hz)級別,如果想要探測到此重力波,就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚,但就在今年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav)的團隊利用「脈衝星計時陣列」(pulsar timing array, PTA)成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

與電磁波相似,重力波也有不同的頻率。不同頻率的重力波會對應到不同性質的波源,且需要不同的方式觀測。圖/科學月刊 資料來源/Barack, et al. 2018

NANOGrav 如何觀測低頻重力波?

讀者聽過脈衝星(pulsar)嗎?它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星(neutron star)註2,會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉,它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球,因而被身處於地球上的我們偵測到,就像是海邊的燈塔所發出的光,會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定,掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘,因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步,首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間(time of arrival),並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符,那麼兩者相減後所得到的訊號差(residual)只會剩下一堆雜訊;相反的,如果宇宙中存在著重力波,並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空,那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊,而會出現時空擾動的蹤跡。

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利用數個脈衝星組成的脈衝星計時陣列,可用來尋找宇宙中低頻的重力波訊號。圖/Tonia Klein, NANOGrav 

然而以觀測的角度來看,即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象,也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解,這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在,就必須進行更進一步的觀測:利用數個脈衝星組成脈衝星陣列,測量每個脈衝星訊號到達的時間,並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說,如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動,那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象,彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干;反之,如果脈衝星和地球之間有重力波經過,這些重力波便會扭曲時空,不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間,且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。

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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav,其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列(European Pulsar Timing Array, EPTA)、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)、印度的脈衝星定時陣列(Indian Pulsar Timing Array, InPTA),以及中國的脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)等,皆得到相符的結果。

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NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同,目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的,而且並沒有較明確的單一波源,反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方,LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊,迎面而來一波一波分明的海浪,每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波;而 PTA 的訊號則是位於大海正中央,感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋,是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此,那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙(observable universe)的時間內互繞仍普遍存疑,如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞,那代表這類系統不僅存在,它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁,且產生的訊號也更強。

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NANOGrav 的觀測結果

橫軸為脈衝星陣列中,兩脈衝星位置之間的夾角;縱軸為訊號之間的相關性;藍色數據點為 NANOGrav 15 年的觀測結果;黑色虛線為 HD 曲線。可看出數據點的分布與 HD 曲線相當吻合。圖/科學月刊 資料來源/Agazie et al. 2023

不過除了雙黑洞系統,也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景,包含早期宇宙的相變、暗物質,以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因,最重要的關鍵在於,能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波,勢必會有來自某些方向的訊號比較強;反之,如果是早期宇宙產生的重力波,那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中,因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向,提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度,最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列;其二則是延長觀測的時間。

目前,不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列(International PTA)互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步,解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

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註解

  1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙,多信使天文學能利用多種探測訊號,如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象,獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
  2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸(supernova)後,就有可能成為中子星。

延伸閱讀

  1. 林俊鈺(2016)。發現重力波!,科學月刊556,248–249。
  2. 金升光(2017)。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場,科學月刊576,892–893。
  3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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