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WISE捕捉到黑洞閃光

臺北天文館_96
・2011/09/26 ・1028字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

天文學家利用廣角紅外巡天探測器(Wide-field Infrared Survey Explorer,WISE)捕捉到罕見的黑洞閃光資料,呈現這些強力天體及其噴流的細節。

科學家常會藉由研究噴流來瞭解黑洞的極端環境。透過X射線、伽瑪射線和電波波段等,科學家瞭解了物質會在黑洞周圍環繞旋轉形成所謂的吸積盤(accretion disk),黑洞會形成噴流等;但對於噴流最亮的部分,即接近黑洞的噴流根基之處,過去數十年來卻始終無法取得關鍵觀測值。這個艱難的工作,終於藉由WISE的紅外觀測得到重大突破。

日本宇宙航空開發研究機構(apan Aerospace Exploration Agency,JAXA)Poshak Gandhi表示:想像一下,如果我們的太陽突然產生劇烈而混亂的爆發狀態,使得數小時內的太陽比平常亮了3倍多,之後又恢復原狀。這,就是WISE看到的黑洞噴流狀況。從這些爆發,Gandhi等人終於得以首度觀察到噴流非常接近恆星型黑洞(stellar-mass black hole)的根基處物理動態。

這個黑洞編號為GX 339-4,之前就已被觀測到過。它距離地球20,000光年以上,位在接近我們銀河系的中心之處,質量約為太陽的6倍,故要看到黑洞明亮的爆發活動,得在恰好的時間觀察恰好的位置。在紅外波段非常靈敏的WISE每11秒拍攝1次,就這樣持續1年之久,觀察範圍涵蓋了整個天空,這才有機會捕捉到這個罕見的爆發事件。為所謂的恆星型黑洞。像其他黑洞一樣,這是由極端緊密的物質所組成的天體,其重力強到連光都逃不離它的勢力範圍。在這個案例中,這個黑洞有個伴星環繞,由伴星提供餵養黑洞的物質。絕大部分來自伴星的物質被拉往黑洞,但有一部份的物質以幾近光速遠離黑洞而形成噴流。

WISE images showing strong bursts and dimming of infrared light in the black hole GX 339-4. The data cover a period of approximately 1 day, speeded up. Infrared light has a wavelength about 15 times longer than the eye can see. Animation made by Poshak Gandhi (JAXA) using WISE images.   WISE觀測到的噴流根基是個非常緊密、非常小的區域,僅相當於從地球上觀察擺在太陽位置上的一個銅板這樣大小而已。可是當分析結果出爐之後,研究團隊驚訝地發現噴流活動有規模龐大而奇怪的變化,變動的時間尺度從幾免到幾小時都有。由此估算出的區域大小約為24,140公里,區域的大小也會隨活動而有劇烈變化,變化規模甚至可達10倍以上。

此外,由此新觀測資料所測量出的黑洞磁場,大約是我們地球表面的30,000倍以上,這是到目前為止所得到最精確的黑洞磁場測量結果。這麼強的磁場下,物質被加速並推擠縮減成窄窄的噴流。這對天文學家研究噴流的形成幫助頗大。

資料來源:NASA’s WISE Mission Captures Black Hole’s Wildly Flaring Jet

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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臺北天文館_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

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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/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

延伸閱讀

研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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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。

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。

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]

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?

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。

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。

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。

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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研之有物│中央研究院_96
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