科學家串連全球巨型望遠鏡的網絡所獲得的觀測資料,可能將開展我們對重力認識的新疆界。

麻州韋斯特福德──銀河系中心的巨獸,其實被層層包裹。

在結束了五個晚上的觀測後,科學家可能終於捕捉到有史以來第一張黑洞影像。

更確切地說,這張萬眾期待的照片拍攝的其實是黑洞周圍的神祕區域,也就是「事件視界」(event horizon)。在事件視界內,任何東西──包括光在內,都無法逃出黑洞的魔掌。

最後一次觀測在美東時間早上11點22分結束,在麻州的韋斯特福德(Westford),團隊成員文森.費許(Vincent Fish)終於可以安心地在麻省理工學院海斯塔克天文臺(Haystack Observatory)的辦公室坐下。在過去一週內,他全天24小時待命,只能斷斷續續地小睡,還得把手機放在身旁,鈴聲調大。

當最後一筆資料抵達執行計畫的天文臺後,費許看到聊天專線裡不斷湧入給電波天文學家和工程師的祝賀訊息。有人說要打開一瓶珍藏了50年的蘇格蘭威士忌,還有人說他正在聽著《波希米亞狂想曲》的勝利樂曲慶祝。

「我很高興,也覺得如釋重負,並期待能好好睡上一覺。」費許說。

但從壓力解脫後,期望也隨之而來:這麼多的資料需要花時間來處理,而且團隊必須等上好幾個月,才能知道他們付出的大量努力是否真能換來成功。

「雖然第一批影像還是很糟,色彩也不對,但我們已經可以首次在黑洞的極端環境下,驗證愛因斯坦重力理論的某些基本預測。」荷蘭奈梅亨拉德堡德大學(Radboud University in Nijmegen)的電波天文學家海諾.法爾克(Heino Falcke)表示。

1915年,愛因斯坦發表了革命性的廣義相對論,認為物質會扭曲時空的幾何結構,而我們體驗到的時空扭曲就是重力。超大質量黑洞的存在就是愛因斯坦的理論最先預測的幾個現象之一。

「這種超大質量黑洞是空間和時間的最終點,並且很可能代表著人類知識的終極極限。」法爾克表示。然而天文學家只能以間接證據證明,超大質量黑洞藏身在宇宙中每個大型星系的中心。即使愛因斯坦也無法確定它們是否真實存在。

據法爾克表示,首批影像「會讓黑洞從某種神祕物體,變成我們可以研究的實體。」

折磨人的天氣觀測

能走到今天這一步,是靠著全球各地──從夏威夷最高峰到南極凍原──天文臺多年的計畫與合作。這八座天文臺以電子方式串連成網路,創造出一個盤面和地球一樣大的虛擬望遠鏡。

事件視界望遠鏡

自4月4日開始的十天觀測時間內,這個稱為「事件視界望遠鏡」的電波碟形天線網路,將目光投向了宇宙。

望遠鏡瞄準了兩個超大質量黑洞:一個是位於銀河系中心的人馬座A*(Sagittarius A*),這頭巨獸的質量是太陽的400萬倍;另一個則是鄰近星系M87中心的黑洞,質量約有太陽的1500倍。

在這之前,事件視界望遠鏡也曾觀測過這兩個超級巨獸的周圍環境,但這是第一次納入南極望遠鏡(South Pole telescope)和擁有66座電波碟型天線的智利阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列望遠鏡(Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array ,簡稱ALMA)。

阿塔卡瑪陣列望遠鏡讓事件視界望遠鏡的敏銳度提高了十倍,甚至可以看到月球上高爾夫球大小的物體,因此能夠拍攝到兩個黑洞周圍的極小事件視界。

多年來,研究團隊一直在協調多座望遠鏡的觀測時間,並為每個觀測站配備關鍵的電子儀器。然而最終擺布他們的卻是他們無法控制的因素──天氣。

永不滿足的怪獸

雖然黑洞的名稱意味著虛空,但它其實是宇宙中密度最大的天體,因此有巨大的引力。恆星黑洞是大質量恒星坍塌所形成的,能將十個太陽的質量壓縮到紐約市的大小。星系中心的超大質量黑洞,其質量是太陽的數十億倍,它們的起源至今仍是個謎。

人馬座A

人馬座A* (SAGITTARIUS A*)

1974年,科學家在人馬座方向發現了一個非常緻密的電波源,距離地球有2萬6000光年。現在科學家已經知道這個稱為人馬座A*(Sgr A*)的電波源,其實是個位在我們星系中心的超大質量黑洞,質量超過太陽的400萬倍。

  1. 奇異點:根據愛因斯坦的方程式,在黑洞中心,整個恆星的質量會坍塌成一個密度無限大、零維度的點,這就是奇點(singularity)。奇異點實際上可能不存在,但在我們對重力的理解中,奇異點指的是數學上的一個洞。
  2. 事件視界 :事件視界在人馬座A*周圍延伸約1287萬公里,在這個界限之內,連光都無法逃出黑洞的重力。
  3. 靜止極限:黑洞的自轉會扭曲空間,使周圍物質的繞行速度加快或減慢。靜止極限(static limit)是指在這個軌道上的物體相對於黑洞的自轉速度以光速運動,看起來像是處於靜止的狀態。
  4. 吸積盤:在人馬座A*的周圍有一圈盤狀的超熱氣體和塵埃,以接近光速旋轉。盤面散發出熱、電波噪音和X射線閃焰,但與其他星系中的吸積盤相比,這個吸積盤還算是溫和的。
  5. X射線噴流:雖然人馬座A*現在看起來很平靜,不過就在2萬年前,它可能吞噬了比太陽重100倍的一顆恆星或是氣體雲。這頓大餐讓黑洞從兩極向外噴發出X射線噴流,與星系盤面呈現15度的夾角。

天文學家以毫米級的無線電波觀測這些黑洞,因為在這個波長範圍內,光可以穿透星系中心濃厚的氣體和塵埃,相對較暢通無阻地抵達地球。

但是水能吸收也能發出無線電波,也就是說,降水會影響電波觀測。

為了減少降水帶來的影響,電波望遠鏡通常架設在高海拔的地方,例如山頂或高原的荒漠。但是,接踵而來的的雲、降雨或降雪仍然會讓天文臺不能工作。此外,高海拔地區的強風也會讓望遠鏡無法運作。

「要在所有觀測點都有好天氣的機率,幾乎等於零。」費許這麼說。

由於在觀測期間,只有五個晚上可以有效利用,因此,費許和他的同事每天都要開會,針對是否該啟動觀測網路做出令人傷透腦筋的決定,還要掌控每個觀測地點目前的天氣狀況,以及未來幾天的可能變化。從麻省理工學院的天文臺上,費許會在一個螢幕上持續監控每個觀測站的天氣,然後在另一個螢幕上與其他天文學家溝通。

在麻州劍橋的哈佛-史密松天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)擔任「事件視界望遠鏡」 計畫主持人的夏普.多爾曼(Shep Doeleman)說:「令人傷心的是,當你在某個晚上啟動觀測網路,天氣卻變[糟]了,」或者取消觀測後,結果當晚卻是好天氣。

期待好事「花生」

現在五天可供觀測的時間已經結束,天文學家得等上好一陣子,並且經過數個月的資料分析,才能確定他們是否已經取得黑洞陰影影像。

每一個天文臺得到的資料量都非常龐大,無法通過網路傳輸。因此所有望遠鏡產生的資料量──相當於1萬臺筆記型電腦的儲存空間──是記錄在1024個硬碟裡,這些硬碟必須郵寄到麻省理工海斯塔克天文臺的事件視界望遠鏡處理中心,以及德國波昂的馬克斯.普朗克電波天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)。

但在南極望遠鏡那邊的硬碟,只能等到10月底當地冬季結束之後,才能空運出來。

一旦資料送到處理中心,大量的伺服器會將八個天文臺所收集到以時間標記的電波信號整合起來。比對與整合無線電波必須格外小心,才不會在整合過程中遺漏了事件視界的大小與結構等關鍵資訊。

這種稱為「甚長基線干涉測量法」(very long baseline interferometry)的電波資料整合技術,在電波天文學領域十分普遍。但是在一般情況下,望遠鏡的數量不會這麼多,也不會如此分散。

「我們試圖讓這個和地球一樣大的望遠鏡網路協調一致,光用想的就覺得不可思議。」多爾曼說。

天文學家們希望他們在整合所有信號後,能看到圍繞著黑圈的光環──也就是黑洞的影子。這道新月形的光芒,來自繞行於黑洞外圍、被加熱到數千億度高溫的發光氣體,它也剛好標示了事件視界外的區域。

有些電腦模擬的結果顯示,光環的一側可能比另一側更厚、更亮,就像是個「無法贏得任何花生選美比賽冠軍的花生。」法爾克這麼說。

就算他們無法從這次的聯合觀測中得到影像,多爾曼和同事們也已經計畫好,準備明年利用更大的電波望遠鏡網路再試一次。

「在未來的10年到50年,」法爾克說:「我們的望遠鏡網路會擴展到非洲,最後甚至到太空,那麼我們就能得到非常清晰的影像了。」

 

撰文:Ron Cowen

編譯:胡佳伶

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