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黑洞自轉愈來愈快

臺北天文館_96
・2011/06/29 ・1131字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

英國樸茨茅斯大學(University of Portsmouth)Alejo Martinez-Sansigre和牛津大學(University of Oxford)Steve Rawlings兩位天文學家,綜合電波、可見光和X射線觀測資料後,發現星系中心的巨大黑洞,其自轉速度會愈來愈快。相關論文發表在英國皇家天文學會月刊(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,MNRAS)中。

有強烈證據顯示每個星系的中心都有個超大質量黑洞(supermassive black hole),質量高達太陽的數百萬倍到數十億倍不等。雖然因為連光也無法逃脫它們超強的重力場,因此無法直接觀察到這些超大質量黑洞,但可間接經由周邊吸積盤中環繞的物質來偵測它們的存在。在落入黑洞之前,這些物質會變得非常熱而放出X射線等輻射,利用太空望遠鏡和地面的電波望遠鏡就可以偵測到這些輻射。

除了輻射之外,超大質量黑洞也常會在與吸積盤垂直方向產生兩道噴流;雖然形成噴流的機制很複雜,但天文學家相信其中最重要的機制應是超大質量黑洞的自轉。然而,目前關於超大質量黑洞自轉狀況會如何演變的預測理論,許多都互相矛盾,限制了天文學家對超大質量黑洞演化的瞭解。

Martinez-Sansigre和Rawlings兩人將各種黑洞自轉理論模型,與各種波段、各種儀器獲得的觀測資料進行比較,結果發現居然可以解釋絕大部分有噴流的黑洞。他們利用電波觀測資料來找出具有噴流的黑洞,再從其他資料估算它們如何獲得物質(即所謂的「吸積過程」),便可推算出黑洞自轉的速度有多快。此外,他們還發現:過去宇宙大約僅有現在一半年齡的時期,幾乎所有超大質量黑洞的自轉速度都不快;然而到了現在,一部分超大質量黑洞的自轉速度快得嚇人。所以超大質量黑洞的自轉速度平均都比之前還快。這是天文學家首度對於超大質量黑洞自轉速度的演化有了一定的限制條件,且顯示若單憑吞噬物質而成長的超大質量黑洞無法讓自轉速度加快很多,反倒是那些經由星系合併而成長的超大質量黑洞的自轉會加速。

所以,反過來說,從星系中心超大質量黑洞的自轉速度,天文學家可以了解這些黑洞的形成過程。從Martinez-Sansigre等人的觀測資料,那些質量最大的超大質量黑洞黑洞,絕大部分的自轉速度也比較快些,可能的解釋之一就是它們必定經歷過與質量大約相同的其他黑洞合併的過程。

這兩位天文學家計畫要在2019年平方公里電波陣列(Square Kilometre Array,SKA)開始正式投入觀測工作後,利用SKA來測試這些黑洞的自轉加速是否是在近期內發生的。理論上來說,黑洞合併會引起時空扭曲而形成所謂的「重力波(gravitational waves)」。而既然宇宙中星系合併的事件相當普遍,那麼應該會有重力波的背景輻射,讓超新星爆炸殘骸中的波霎所發出的電波脈衝時間間隔改變;利用SKA的精密觀測,或許能捕捉到這樣的脈衝改變現象。

資料來源:

Black holes spin faster and faster[2011.05.23, RAS]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111

PanSci_96
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被吸進黑洞會怎樣?黑洞和一般的洞,哪裡不一樣?——《宇宙大哉問》
天下文化_96
・2022/09/24 ・2414字 ・閱讀時間約 5 分鐘

  • 作者/豪爾赫.陳、丹尼爾.懷森
  • 譯者/徐士傑、葉尚倫

如果我被吸進黑洞會怎麼樣?

很多人似乎都有這個疑問。

如果路上突然出現一個黑洞,會發生什麼事?圖/天下文化提供

「進入黑洞後會發生什麼事呢?」在許多科學書籍中都有提到,也是我們聽眾和讀者經常提出的問題。但是為什麼大家對這問題特別有興趣呢?難道公園裡處處都是黑洞?或是有人計畫在黑洞附近野餐,但又擔心放任他們的孩子在旁邊跑來跑去會發生問題?

可能不是。這個問題的吸睛度與實際上會不會發生無關,而是源自我們對迷人太空物體的基本好奇心。眾人皆知,黑洞是神祕莫測的奇怪空間區域,是時空結構中與宇宙實體完全脫節的「空洞」,任何東西都無法逃脫。

不過,掉入黑洞是什麼感覺呢?一定會死嗎?和掉進普通洞裡的感覺有什麼不同?你會在洞內發現宇宙深處的祕密,還是看到時空在你的眼皮子底下伸展開來?在黑洞裡面,眼睛(或大腦)能正常發揮功能嗎?

只有一種方法可以找到答案,那就是跳進黑洞。所以抓起你的野餐墊,和你的孩子說聲再見(也許是永別),然後牢牢抓緊,因為我們即將深入黑洞公園展開終極冒險。

讓我們跳進黑洞尋找答案吧!圖/天下文化提供

接近黑洞

當你接近黑洞時,注意到的第一件事可能是,黑洞確實看起來就像「黑色的洞」。黑洞是絕對黑色,本身完全不發射或反射光線,任何擊中黑洞的光都會被困在裡面。所以當你觀察黑洞時,眼睛看不到任何光子,大腦會將其解釋為黑色。

黑洞也是個不折不扣的洞。你可以將黑洞視為空間球體,任何進入黑洞的東西都會永遠留在裡面。這是因為已經留在黑洞內的東西所造成的重力效應:質量在黑洞中被壓縮得十分密集,進而產生巨大的重力影響。

為什麼?因為離有質量的東西愈近,重力愈強,而質量被壓縮代表你可以十分靠近質量中心。質量很大的東西通常分布得相當分散。以地球為例,地球質量大約與一公分寬(大約一個彈珠大小)的黑洞等同大小。如果你與這個黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣,都是 1g。

如果你與黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣。圖/天下文化提供

但是當你分別接近兩者中心時,會發生截然不同的狀況。當你愈靠近地球中心點,愈感覺不到地球重力。那是因為地球圍繞著你,把你平均的往各個方向拉。相反的,當你離黑洞愈近,感受到的重力愈大,因為整個地球質量近在咫尺的作用在你身上。這就是黑洞強大的威力,超緊緻質量對周圍事物立即產生巨大影響。

當你離地球中心越近,就越感受不到重力,但當你離黑洞中心愈近,感受到的重力卻越大。圖/天下文化提供

真正緊緻的質量會在自身周圍產生極大重力,並且在一定距離處,把空間扭曲到連光都無法逃脫(請記住,重力不僅會拉動物體,還會扭曲空間)。光不能逃脫的臨界點稱為「事件視界」,在「某種程度」上,事件視界定義了黑洞從何處開始,以此距離為半徑的黑色球體則稱為黑洞。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。如果你把地球壓縮得足夠小,會得到一個彈珠大小的黑洞,因為在大約一公分距離內,光再也無法逃脫。但是如果你再壓縮更多質量,黑洞半徑就會更大。例如,你把太陽壓縮變小,空間扭曲程度更高,事件視界更遠,大約發生在距離中心點三公里處,因此黑洞寬度約六公里。質量愈大,黑洞愈大。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。圖/天下文化提供

其實,黑洞的大小並沒有理論限制。在太空中我們已探測到的黑洞寬度,最小約有二十公里,最大可達數百億公里。實際上,黑洞形成的限制只有周圍環繞物質的多寡,以及所允許的形成時間。

當你接近黑洞時,可能會注意到的第二件事是,黑洞通常不孤單寂寞。有時你會看到周圍東西掉進黑洞。或者更準確的說,你會看到東西在黑洞周圍旋轉等待落入。

這種東西稱為「吸積盤」,是由氣體、塵埃和其他物質組成。這些物質沒有被直接吸入黑洞,而是在軌道上盤旋等待、螺旋進入黑洞。這景象對於小黑洞而言,可能不是那麼令人印象深刻,但如果是超大質量黑洞,確實值得一看。氣體和塵埃以超高速度飛來飛去,產生非常強烈的純粹摩擦力,導致物質被撕裂,釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。這些類恆星(或稱類星體)的亮度,有時比單個星系中所有恆星的亮度總和還要高數千倍。

超大質量黑洞能釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。圖/天下文化提供

幸運的是,並不是所有黑洞,甚至是超大質量黑洞,都會形成類星體(或耀星體,就此而言,像是吃了類固醇的類星體)。大多數時候,吸積盤並沒有合適的東西或條件來創造如此戲劇化的場景。這也算是一樁美事,否則的話,你一靠近活動劇烈的類星體,可能會讓你在瞥見黑洞之前就氣化了。希望你選擇落入的黑洞周圍有個漂亮的、相對平靜的吸積盤,讓你有機會接近並好好欣賞。

——本文摘自《宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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一張花了五年的照片:從觀測到成像,重建銀河系中心黑洞影像
研之有物│中央研究院_96
・2022/08/14 ・4831字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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/歐柏昇
  • 美術設計/蔡宛潔

訪問事件視界望遠鏡計畫成員

事件視界望遠鏡(EHT)2022 年 5 月公布人馬座 A 星(Sagittarius A*, Sgr A*)的黑洞照片,終於揭開銀河系中心超大質量黑洞的面紗。黑洞觀測仰賴特長基線干涉技術(VLBI, Very-long-baseline interferometry),從硬體設備的建造到成像工作,每一步驟都大有學問。中央研究院「研之有物」專訪院內天文及天文物理研究所副研究員淺田圭一,他直接參與了本次黑洞影像的工程,以下讓我們一起深入瞭解!

淺田圭一副研究員向研之有物團隊解說黑洞影像的處理細節。圖/研之有物

首先介紹淺田圭一(Keiichi Asada)副研究員,他是事件視界望遠鏡計畫的成員,2009 年延攬來臺灣中研院天文所,從事次毫米波段的 VLBI 研究。

淺田圭一對於 EHT 陣列的格陵蘭望遠鏡(GLT)貢獻良多,完整參與了 GLT 望遠鏡的選址與建造,目前他在計畫中負責管理黑洞觀測。此外,淺田圭一也是人馬座 A 星成像團隊的一員,因此對於影像處理的細節相當瞭解,我們將透過訪問,逐漸揭開銀河系中心黑洞照片背後的秘密。

人馬座 A 星是銀河系中央的超大質量黑洞,事件視界望遠鏡合作團隊成功重建此黑洞的影像。圖/ESO

會隨著時間改變結構的銀河系黑洞:人馬座 A 星

早在 2017 年,事件視界望遠鏡就同時完成 M87 和人馬座 A 星兩個黑洞的觀測。為何 M87 黑洞影像在 2019 年就公布,然而人馬座 A 星卻要多等三年呢?

淺田圭一說,研究團隊在 2018 年取得數據的時候,很快就發現 M87 的數據處理容易得多。人馬座 A 星的成像之所以困難,其中有個關鍵因素,是它的周圍結構隨著時間變化非常迅速。

電波干涉儀觀測的原理,是利用望遠鏡之間兩兩一組構成的「基線(baseline)」,測量訊號抵達的時間差,來建構出天體的長相。觀測的時候,每條基線可填入一個資料點。由於地球會自轉,隨著時間的推移,望遠鏡以不同角度接收天體訊號,資料點也愈來愈多,就像是相機長曝光一樣,可以填入愈來愈多的資訊,提高影像品質。

淺田圭一解釋,長曝光的時候目標不應該移動;如果曝光過程中,觀測目標變化很大,就會很難成像,而人馬座 A 星就是這種情況。

淺田圭一說明,同一個天體的訊號,會在不同時間分別抵達兩個測站,而此時間差可用來還原天體的樣貌。圖/研之有物

一張花費五年的照片,科學家在做什麼?

這張黑洞影像的產生耗費了五年,是個浩大的工程。淺田圭一說明,從觀測到產出這張照片,共歷經四個階段的主要任務:觀測(observation)、訊號相關(correlation)、校準(calibration)、成像(imaging)。

黑洞影像的產生流程,大致分為觀測、訊號相關、校準和成像四個階段。圖/研之有物

觀測(observation)

2017 年,八座望遠鏡共同完成了人馬座 A 星的觀測,而中研院參與了其中三座望遠鏡的建造與營運。

觀測的時候,望遠鏡接收宇宙中傳來的電磁波,轉換為數位訊號(00、01、10、11),記錄在硬碟中。由於事件視界望遠鏡的各個測站距離遙遠,必須先分別將數據儲存下來,用飛機運送到美國麻省理工學院(MIT)和德國馬克斯·普朗克研究所(Max Planck Institutes)。這兩個機構擁有超級電腦,可進行下一步的運算。

為何要用飛機傳送數據呢?淺田圭一開玩笑說:「當然也可以用船!」真正的原因是黑洞的觀測資料非常龐大,每座望遠鏡每秒可生成 4 GB 的資料,一次觀測的資料總量高達 5 PB。加上有些測站地理位置偏遠,網路傳輸非常不便。例如其中一個測站是南極望遠鏡,只有非常慢的衛星網路,於是這麼龐大的資料只能靠飛機實體傳輸。

黑洞觀測的龐大數據儲存在氦氣填充硬碟(helium-filled hard disk drives; HDDs)內。圖/淺田圭一

訊號相關(correlation)

研究機構收到飛機運來的硬碟之後,利用超級電腦進行「訊號相關」的步驟。電波干涉需要計算多組望遠鏡之間接收訊號的時間差,因而需把來自各地的數據關聯在一起。

這個步驟在 2018 年完成,大約花了一年時間。淺田圭一說,研究團隊不希望有任何錯誤,所以每個步驟都很仔細檢查,不斷發現問題,又回去修正,因此耗費很多時間。

校準(calibration)與成像(imaging)

完成訊號相關之後,還需要校準,將原始數據轉換為能量的物理單位。研究團隊使用兩種不同的指令流程來校準(註1),確認結果一致。

電波干涉儀所測得的數據,並不是直接的「照片」,而是影像經由傅立葉轉換後的結果。下圖稱為 uv 平面(uv plane),用來表達電波天文影像經傅立葉轉換後的空間。

若要直接解出影像,電波觀測的數據需要完全填滿 uv 平面,但是現實中無法做到,只能盡可能取得 uv 平面上的資訊,進而根據既有資料,運用模擬來還原影像。總之,成像是個需要技巧的艱難任務。

uv 平面是指電波天文影像經傅立葉轉換後的空間,上圖為銀河系中心黑洞影像的觀測結果。uv 平面上一個資料點,表示一條基線(望遠鏡兩兩一組的連線)所觀測到的數據。用不同顏色來表示不同望遠鏡組別的基線,並且隨著地球自轉,各條基線在 uv 平面上的覆蓋範圍也越多。天文學家需要有足夠的 uv 覆蓋範圍,才能妥善地還原天體的影像。圖/事件視界望遠鏡合作團隊

重建黑洞影像:步驟複雜的艱難任務

淺田圭一說明,重建影像的方法很多,並且有眾多參數可調整。以 VLBI 觀測黑洞,uv 平面的數據肯定無法收滿,故一開始的觀測數據可產生非常多種影像,其中有些是環狀,有些是點狀。面對這麼多種可能性,科學家如何理出頭緒?

成像工作的重點,在於有技巧的「逆推」。為了找出 uv 數據和黑洞影像的相關性,要先「訓練」一個優秀的影像重建模型。訓練模型要先找出優良的參數,使得影像和數據結果最吻合,尋找優良參數需要依靠電腦模擬,從假設的幾何結構產生假想的數據。

在分析真實數據之前,研究團隊先拿電腦生成的假想數據來「訓練」重建影像的程式。這個「訓練」過程會嘗試非常多的參數組合,並檢驗程式生成的影像是否符合原先假設的幾何結構,藉此挑選出一些優良的參數組合。

找出優良的參數之後,再將這些參數套用在真實觀測數據上,開始重建真實的黑洞影像。

研究團隊假設黑洞有環狀、盤狀、點狀等不同幾何結構,運用電腦生成假想的觀測數據,藉這些數據訓練成像的程式,找出優良的參數。圖/事件視界望遠鏡合作團隊

經由模擬找出的優良參數仍然不只一組,於是就有許多種和觀測數據吻合的影像。研究團隊並不是從中挑出唯一的影像,而是根據結構形狀把影像分為四種類型,並且取平均,得到最終公諸於世的那一張黑洞影像。

與數據吻合的銀河系中心黑洞影像數量繁多,研究團隊將最貼近觀測數據的影像分成四種類型。圖/EHT
圖為銀河系中心黑洞影像,最終的黑洞影像是多種影像平均後的結果。四種類型影像旁的長條圖,代表該類型在所有優良參數影像中所佔的比例。圖/事件視界望遠鏡合作團隊

由於成像並非直觀的過程,所以科學家們各有不同的想法來成像。淺田圭一說,大家都知道成像很困難,雖然本質是國際合作,但是想法本身都是來自個人,所以這項任務也像是國際競爭,看誰能找出最好的解法。

2018 年取得數據之後,科學家嘗試很多方法來成像。大約在 2019 年底,就產生和最終結果多少相似的影像,但是研究團隊沒有十足把握,所以繼續微調、反覆確認,直到今(2022)年初,才終於得到有把握的黑洞影像。

對於事件視界望遠鏡的團隊而言,這幾年是個辛苦的歷程。他們每週都有橫跨亞洲、歐洲、美洲的線上國際會議,為了配合所有國家的時區,會議時間通常都在亞洲的晚上。淺田圭一說,對於年輕同事真是感到抱歉,他們週五晚上經常無法去放鬆 Happy,必須參與國際會議。

黑洞影像的背後,除了眾人之力,還需要先進的儀器

黑洞照片的產出仰賴眾多科技。除了軟體技術之外,若沒有先進的硬體設備,如此精密的觀測無法完成。淺田圭一認為,中研院在黑洞觀測的硬體設備上有兩大貢獻:

第一是數位轉換器(digitizer)。望遠鏡接收到的電磁波,需轉成數位訊號,才能進行下一步的數據處理。所有測站的數位轉換器都是由中研院完成,幕後功臣是天文所的江宏明研究技師。

第二是位於智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)。事件視界望遠鏡大部分的靈敏度都來自 ALMA,遠遠超過其他望遠鏡。

ALMA 本身是個由數十座望遠鏡構成的干涉儀,但是黑洞觀測要把 ALMA 當作單一的一座望遠鏡,和其他測站共同組成更大的干涉儀。欲達成此目標,需要添加特殊功能,確保 ALMA 內部每一個望遠鏡所接收的電磁波對齊。這就是國際合作的 ALMA Phasing Project 的任務,早在事件視界望遠鏡合作團隊組成之前,中研院天文所就參與了這個計畫。

由於電波干涉儀的基本原理,是運用各個測站訊號抵達的時間差,來還原天體影像,因此需要非常精確地測定時間。事件視界望遠鏡的同步器(synchronizer)是運用氫邁射(hydrogen maser)的原子鐘,每秒鐘具有 10-13 的精確度,各個測站都需要裝設此配備。

原子鐘需要放置在很穩定的溫度和磁場下,以及無震動的環境中。氫邁射原子鐘的外面需要包裹三層的容器,確保設備高度穩定。事件視界望遠鏡的每個測站,都有專門放置原子鐘的位置。淺田圭一笑著說:電波望遠鏡放置原子鐘的房間裡有張椅子,那是他最喜歡的工作地點,因為最不容易受到干擾!

事件視界望遠鏡各個測站以原子鐘測定時間。原子鐘(粉色箱子處)受到層層保護,放置在高度穩定、不受干擾的環境中。圖片為技術人員與 ALMA 陣列操作場地的原子鐘合影。圖/ALMA

黑洞影像是眾多科學家協力完成的鉅作。精密硬體設備的每個部分,都是黑洞觀測不可或缺的利器。人馬座 A 星黑洞觀測完成之後,數據分析的工作也相當艱辛,耗費五年的時間才成功重建影像。一張「黑洞照」,絕不是曝光之後就會自動跑出來,而是集合眾人之力,以嚴密科學方法達到的成就。

註解

註 1:EHT 研究團隊使用兩套指令流程來校正數據:the CASA-based rPICARD pipeline、the HOPS-based EHT-HOPS pipeline

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研之有物│中央研究院_96
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