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Apr. 17 2019

人類首次拍到黑洞,到底看到了什麼?

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  • 事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)是個跟地球一樣大的地面無線電波望遠鏡陣列,天文學家利用它成功拍攝到超大質量黑洞及其暗影的第一張圖像。這張圖像揭露的是室女座星系團中大質量星系M87中心的黑洞。 PHOTOGRAPH BY EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION

  • 橢圓星系M87是鄰近的室女座星系團的主要成員,包含數兆顆恆星、一個超大質量黑洞和大約1萬5000個球狀星團。相比之下,我們的銀河系只有幾千億顆恆星和大約150個球狀星團。 PHOTOGRAPH BY NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA); ACKNOWLEDGMENT: P. COTE (HERZBERG INSTITUTE OF ASTROPHYSICS) AND E. BALTZ (STANFORD UNIVERSITY)

  • 夜空微光下的66座阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列天線,它們是事件視界望遠鏡網路的重要成員。PHOTOGRAPH BY BABAK TAFRESHI

  • M87星系的中心閃耀著一個巨大的宇宙探照燈:從黑洞向外噴射出的次原子粒子流的速度接近光速。在這張哈伯太空望遠鏡所拍攝的影像中,藍色的噴流與M87星系中恆星和星團所發出的黃色光芒形成強烈的對比。 PHOTOGRAPH BY NASA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)

  • 在夏威夷茂納開亞火山(Mauna Kea volcano)上矗立著許多天文臺,其中也包括在2017年參與事件視界望遠鏡觀測的詹姆斯.克拉克.麥克斯威爾望遠鏡(左二)。PHOTOGRAPH BY BABAK TAFRESHI

天文學家利用跟地球一樣大的望遠鏡,首度拍攝到宇宙中最奇特的天體──黑洞!這篇文章告訴你為什麼拍到黑洞如此重要。

事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)是個跟地球一樣大的地面無線電波望遠鏡陣列,天文學家利用它成功拍攝到超大質量黑洞及其暗影的第一張圖像。這張圖像揭露的是室女座星系團中大質量星系M87中心的黑洞。 PHOTOGRAPH BY EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION

在離我們超過5000萬光年之外,巨大的橢圓星系M87中心潛伏著一頭巨獸,任何物質只要靠得太近,就會被吞噬無蹤。不論是恆星、行星、氣體、塵埃──甚至是光線,只要越過稱為事件視界(event horizon)的界線,就無法逃脫這頭巨獸的魔爪。

在4月10日舉行的記者會上,科學家揭開了這個神秘天體的面紗──65億倍太陽質量的超大質量黑洞。我們可以在影像中看到一個不對稱的光環,圍繞著黑色的圓形空洞,這就是全世界上第一張的黑洞剪影,描繪出無法逃離的黑洞邊緣。

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這張影像是事件視界望遠鏡計畫所取得的非凡成就。來自全球超過200位的科學家共同合作,利用分布在世界各地的天文臺陣列──地點從夏威夷到南極,結合起來組成一座口徑相當於地球直徑的望遠鏡。在2017年4月觀測黑洞的期間,所收集的數據甚至超過千兆位元(譯按:petabyte,簡稱PB,相當於1024 TB)。之後科學家更是花了兩年時間,才處理好這張黑洞影像。

在這之前,我們都只能觀測到黑洞存在的間接證據──包括似乎是繞著奇特天體運轉的恆星、旋入黑洞的超熱物質所發出的輻射,或是從混亂環境中噴射出的高能粒子噴流。

凝望深淵

全世界各地的強大望遠鏡協同彼此工作,達到單一望遠鏡所無法企及的解析力。在事件視界望遠鏡2017年的觀測中,每個裝置間相距甚遠,但其實能增強望遠鏡的效果。

此次事件視界望遠鏡計畫八座望遠鏡位置。MATTHEW W. CHWASTYK, NG STAFF SOURCE: EVENTHORIZONTELESCOPE.ORG

A:

亞歷桑那無線電波天文臺(Arizona Radio Observatory)的次毫米波望遠鏡(Submillimeter Telescope)

B:

詹姆斯.克拉克.麥克斯威爾望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope)、次毫米波陣列(Submillimeter Array)

C:

大型毫米波望遠鏡Alfonso Serrano
(Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano)

D:

亞他加馬探路者實驗(Atacama Pathfinder Experiment)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA)

E:

南極望遠鏡(South Pole Telescope)

F:

IRAM 30米望遠鏡(IRAM 30-meter Telescope)

夜空微光下的66座阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列天線,它們是事件視界望遠鏡網路的重要成員。PHOTOGRAPH BY BABAK TAFRESHI

「我們已經研究黑洞太久了,有時候很容易就會忘記,我們根本沒有人真正見過黑洞。」4月10日在華盛頓特區美國新聞記者俱樂部(National Press Club)召開的記者會上,美國國家科學基金會(National Science Foundation)的主席法蘭西.哥多華(France Cordova)這麼說道。

「今天,我們很高興能夠宣布,我們看到了先前大家認為無法看到的天體,」哈佛-史密松天文物理中心(Harvard-Smithsonian Institute for Astrophysics)的計畫負責人夏普.多爾曼(Shep Doeleman)補充:「你們現在所見到的,就是事件視界存在的證據……現在我們終於能夠親眼看見黑洞了!」

在4月10日出版的《天文物理期刊通訊》(Astrophysical Journal Letters)刊載了6篇論文,描述了這場觀測壯舉的過程,以及這張影像所揭露的諸多細節。其中一個重點是我們可以更直接地計算出黑洞的質量,結果和先前根據周圍環繞恆星的運動所推測的質量非常接近。此外,這些數據還隱含了一些線索,讓我們得知超大質量黑洞是如何噴發出以接近光速行進的巨大粒子噴流。

「這項成就真的很了不起!甚至某種程度說來,讓我們感覺到身為人類的卑微與渺小,」多爾曼表示:「大自然的精心策畫,讓我們看到了曾經以為不可見的東西。」

↑↑↑↑↑101科學教室:神祕黑洞

橢圓星系M87是鄰近的室女座星系團的主要成員,包含數兆顆恆星、一個超大質量黑洞和大約1萬5000個球狀星團。相比之下,我們的銀河系只有幾千億顆恆星和大約150個球狀星團。 PHOTOGRAPH BY NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA); ACKNOWLEDGMENT: P. COTE (HERZBERG INSTITUTE OF ASTROPHYSICS) AND E. BALTZ (STANFORD UNIVERSITY)

M87星系的中心閃耀著一個巨大的宇宙探照燈:從黑洞向外噴射出的次原子粒子流的速度接近光速。在這張哈伯太空望遠鏡所拍攝的影像中,藍色的噴流與M87星系中恆星和星團所發出的黃色光芒形成強烈的對比。 PHOTOGRAPH BY NASA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)

從地球拍攝月球上的橘子

起初,事件視界望遠鏡的目標是位在我們銀河系中心的超大質量黑洞──質量為太陽400萬倍的人馬座A*(Sagittarius A*),這與M87星系中心的黑洞相比,簡直是小巫見大巫。由於M87的黑洞距離我們最近,同時也是最大的黑洞之一,因此研究團隊決定把望遠鏡也指向此處,希望最後能比較兩個黑洞的性質。

要觀測銀河系中心的黑洞,反而比觀測鄰近星系團內的黑洞還要複雜一些,這也是為什麼這次所發布的是M87的黑洞影像。

事件視界望遠鏡所拍攝的影像,與我們一般所見到像是哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)拍攝的眾多精采天文影像不同,並不是單一張的快照,而是利用干涉技術,結合了來自多個望遠鏡的觀測結果,組合成一張影像。當科學家同時使用多個望遠鏡觀測同一個天體時,就可以將觀測結果互相比較結合。而所得到的觀測結果,就會像是用一臺口徑相當於各個望遠鏡彼此距離的巨型望遠鏡進行觀測。

為了解析這個超大質量黑洞──和周圍的星系相比,它其實相當渺小──研究團隊需要結合世界各地望遠鏡的力量。最後,位於墨西哥、夏威夷、美國亞利桑那州、智利和西班牙與南極的八座望遠鏡瞄準了星系M87,它也是室女座星系團中心最大的星系。這些望遠鏡組合成的網路,相當於一個口徑相當於地球直徑的望遠鏡。當展開運作時,它能解析的物體,是哈伯望遠鏡所能看見的角度大小的萬分之一。

「我們努力觀測的目標在天空中其實非常、非常小,」身為事件視界望遠鏡影像團隊的成員,美國加州理工學院(Caltech)的凱蒂.布曼(Katie Bouman)解釋:「大概就像是要從地球拍攝位在月球上的一顆橘子。」

研究團隊連續好幾天以短波無線電波觀測M87,這是因為電波能夠穿透圍繞在星系中心周圍的塵埃和氣體。這次的觀測目標,除了M87之外還有其他的天體,研究團隊所收集到的數據量十分龐大──高達5 PB。這麼大的數據量,是無法透過網路傳輸的,唯一可行的方式是直接寄送硬碟。

研究團隊成員之一、美國亞利桑那大學(University of Arizona)的丹.馬洛內(Dan Marrone)表示:「5 PB的數據量真的相當大,相當於長度為5000年的MP3檔案,或者這麼說吧,根據我看過的一項研究,相當於4萬人一輩子自拍的檔案加起來這麼多。」

要將來自不同天文臺的觀測數據結合,並不是件容易的事。因此有四個團隊分別利用不同的演算法獨立處理數據,並用不同的數據模型進行檢驗。最後,每個團隊所產生的影像十分相似,表示觀測數據非常可靠,而且最後得到的影像也是盡可能準確了。準確地說,這次所發布的影像,與研究團隊這些年所模擬出的影像幾乎沒什麼不同。

「這和我們預測的幾乎是驚人地相似,」團隊成員、荷蘭阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的莎拉.馬爾科夫(Sera Markoff)說:「我總是在閒暇時間在手機上看著這張影像。」

研究團隊打算在不久之後,發布另一個離我們地球最近的超大質量黑洞影像。不過,雖然人馬座A*黑洞更近一些,但可別期待這個黑洞的影像會比目前發布的這張M87黑洞影像更為清晰。

「M87的距離比銀河系中心遠了2000倍,但它的黑洞也比銀河系中心的黑洞大了約2000倍,」英國劍橋大學(University of Cambridge)的教授及英國皇家天文學家馬丁.里斯(Martin Rees)爵士說:「因此它們在天空中看起來的大小是一樣的。」

在夏威夷茂納開亞火山(Mauna Kea volcano)上矗立著許多天文臺,其中也包括在2017年參與事件視界望遠鏡觀測的詹姆斯.克拉克.麥克斯威爾望遠鏡(左二)。PHOTOGRAPH BY BABAK TAFRESHI

65億顆閃耀的太陽

現在有了這張影像之後,科學家就可以開始探索黑洞物理中更深的奧秘,像是確認黑洞的基礎性質。

里斯表示:「我們很想從這些觀測中知道的是,這些黑洞的性質是否真如愛因斯坦所預測的那樣呢?」

目前從某種程度上來說,愛因斯坦似乎是對的。儘管這位著名的物理學家對黑洞是否真正存在,一直抱持著懷疑的態度,但是他在1915年發表廣義相對論的方程式的數學解曾經這麼預言,如果這種超大質量的天體在宇宙中廣泛存在,那麼它們應該是球形的,就像是嵌在一圈光亮中的一團黑影。

永遠吃不飽的怪獸

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。恆星級黑洞是由大質量恆星坍塌所形成,能將十個太陽的質量壓縮到紐約市的大小。而星系中心的超大質量黑洞,質量可能達到太陽的數十億倍,它們的起源至今仍是未解之謎。

超大質量黑洞的質量可能達到太陽的數十億倍,而它們的起源至今仍是未解之謎。JASON TREAT AND ALEXANDER STEGMAIER, NGM STAFF. ART BY MARK A. GARLICK SOURCES: AVERY BRODERICK, PERIMETER INSTITUTE FOR THEORETICAL PHYSICS, UNIVERSITY OF WATERLOO, CANADA; UCLA GALACTIC CENTER GROUP

M87星系

1781年,天文學家查爾斯.梅西耳(Charles Messier)在室女座中發現了一個亮點,即梅西耳87(M87)。M87星系遠在5500萬光年之外,包含著幾兆顆恆星。在這個星系的中心,有個非常緻密的無線電波源:質量約相當於65億顆太陽的超大質量黑洞。

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,這就是奇異點(singularity)。奇異點可能實際可能並不存在,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M87黑洞周圍向外延伸至少約113億公里,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M87黑洞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、電波噪音和巨大的X射線閃焰──其中有些甚至延伸超過10萬光年。
5. X射線噴流:天文學家在一百多年前,就發現了來自於M87的「直射光線」。當繞著中心黑洞旋轉的超熱氣體沿著強烈的磁力線射出時,就會形成這種強烈的噴流。當電子沿著這些磁力線旋轉時,就會產生從無線電到X射線等各種波長的輻射。

M87中的黑洞影像的確與愛因斯坦的預言相符,不過外側的一圈亮光有些不均勻,看起來像是個膨脹的甜甜圈似的。不過,這也在預料之中。環繞在黑洞周圍的物質形成了發光的圓盤,由於這個圓盤的一側朝向我們運動,因此這部分看起來就會比較明亮。

「整個東西都在運動,因此有某部分應該會是朝向我們發光──這也是電影《星際效應》(Interstellar)搞錯的地方!」馬爾科夫說,指的是2014年的這部電影所描繪出的黑洞景像。「看著這張影像時,很難理解到你正望向時空中的某個深穴。」她補充說。

研究團隊根據M87黑洞的事件視界,計算出這個黑洞的質量大約相當於65億顆太陽,這和根據繞其旋轉的恆星運動而間接估測的質量範圍恰好相符。不過問題在於,這個結果遠比用環繞黑洞旋轉的氣體運動估算出的質量大得多,而後者是一種較簡單、也是科學家較常用來估測黑洞質量的方法。如果之前的這個方法不太管用,那麼科學家得要搞清楚背後原因才行。

「我們正在擴充這類能夠根據氣體動力學方法計算的星系,因此現在可能就是個關鍵時刻,應該要將這種方法進行適當的校準。」美國普林斯頓大學(Princeton University)的天文物理學家珍妮.格林(Jenny Greene)表示。

但是,儘管這次所得到的最新數據能幫我們計算出黑洞的質量,但要研究團隊判斷M87黑洞的事件視界延伸到多遠,還是有些困難。就像是我們經常看到的陰影或是輪廓邊緣通常會很模糊,這張影像中的黑圈也是如此。計算這個黑洞直徑所需要的一些參數目前都還是未知數,像是黑洞自轉的速度有多快,自轉軸在太空中的確切指向。

如果把這個黑洞放在我們的太陽系裡,它的事件視界會比冥王星的軌道還要遠,可能比地球與太陽距離的120倍還更遠。

有意思的是,這表示如果你穿過M87黑洞的事件視界,卻可能感覺不出有任何異狀。因為這個黑洞實在是太巨大了,此時的時空彎曲幅度非常小,M87黑洞的巨大引力對你全身上下──從頭部到腳趾──的引力可能是相同的。但是,當你再接近黑洞一點,時空曲率會增加,直到你被拉扯成一根垂直而細長的義大利麵。(這時你肯定會覺察出來,因為你會開始感覺到不太舒服。)

向外噴射

沒有人知道黑洞的中心──奇異點──到底是否有任何東西存在。在宇宙這塊絨布上的這個刺孔周圍是彎曲的奇特時空,任何東西都無法逃脫。

不過,這張黑洞的最新影像能幫助科學家更了解M87黑洞的外側,尤其是黑洞所噴發出接近光速的高能粒子。M87黑洞外側可見的噴流範圍約為4900光年,是我們周遭宇宙中的一個引人注目的奇觀。

黑洞會把物質拋射到太空之中,聽起來似乎與黑洞只會吸入物質的想法有些矛盾。不過,如果黑洞這樣奇特的天體沒那麼令人困惑,那才奇怪呢!

「黑洞不但很會吸引物質,它推開物質、形成風和噴流的能力也是一流的。」

加拿大麥基爾大學(McGill University)的戴露.哈加德(Daryl Haggard)說。她指出,科學家真的還不太了解黑洞產生噴流的機制。

藉由觀測光和物質的交界以及M87黑洞的事件視界,或許會幫助科學家解開這個神祕的過程。先前曾有好幾個天文臺曾對準了黑洞,用不同電磁波譜的波長研究它,試圖解開黑洞噴流的動力來源。

馬爾科夫表示,這種噴流似乎起源於環繞事件視界周圍的物質圓盤中,稱作「動圈」(ergosphere)的區域。在動圈中時空永不靜止,永遠在不停地旋轉。在這個環境裡的磁場非常強烈,氣體被加熱到上百萬度,各種粒子以近乎不可能的速度飛掠。這些因素在微觀尺度上的交互作用,似乎激發了噴流中蘊含的巨大能量。

馬爾科夫說,M87黑洞有著活躍的噴流,而我們銀河系的黑洞則較為安靜,在我們得到銀河系中心黑洞的影像並與M87黑洞相互比較之後,「我們就能更了解黑洞的興衰,對宇宙漫長的歷史有什麼樣的影響了。」

延伸閱讀:霍金留下的不僅是關於黑洞的理論,還有宇宙未來的可能性黑洞這麼「貪吃」,最後會被「撐死」嗎?

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