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Jul. 23 2022

為什麼拍到銀河系中心黑洞很重要?如何看見黑洞?黑洞 QA 大集結!

  • 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十年,至今仍持續推動天文學進展,積極提攜後進。 圖|研之有物

    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十年,至今仍持續推動天文學進展,積極提攜後進。 圖|研之有物

  • 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二十多年,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

    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二十多年,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

  • 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

    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

  • 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 2000 倍,質量也是 Sgr A* 的 2000 倍。 資料來源|中研院天文所

    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 2000 倍,質量也是 Sgr A* 的 2000 倍。 資料來源|中研院天文所

  • 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

    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

  • 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

    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

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本文轉載自中央研究院《研之有物》,國家地理為宣傳推廣執行單位。

採訪撰文/簡克志
美術設計/蔡宛潔

 

用有限資源完成不可能任務

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十年,至今仍持續推動天文學進展,積極提攜後進。 圖|研之有物

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十年,至今仍持續推動天文學進展,積極提攜後進。 圖|研之有物

深空仰望銀河系中心

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二十多年,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二十多年,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

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二十多年,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,當時有八座電波望遠鏡一同貢獻解析力,中研院就參與了三座望遠鏡(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,這是離我們最近的黑洞,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

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

銀河系家園的「小」巨獸:人馬座 A

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 400 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 2000 倍,質量是 Sgr A* 的 2000 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 2000 倍,質量也是 Sgr A* 的 2000 倍。 資料來源|中研院天文所

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 2000 倍,質量也是 Sgr A* 的 2000 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 2000 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 2000 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

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、角解析度愈好。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

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,口徑愈大、角解析度愈好。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。

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!

Q.為什麼拍到黑洞很重要?科學家為何高度關注?

賀: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。

Q.為什麼目前只拍到兩個黑洞?其他黑洞呢?

賀: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。

Q.為什麼每個星系中心都會有一個超大質量黑洞呢?

賀: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」。

Q.天文學家如何定位銀河系的中心?

賀: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。

Q.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?

賀: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。

Q.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?

賀: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。

Q.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?

賀: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。

Q.黑洞的「背面」看起來會如何?會和目前照片類似嗎?

賀: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。

Q.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?

賀: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。

Q.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)

賀: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。

AUG. 2022

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