見證天文物理最重大一刻,無形黑洞終於首次被拍下真面目!

by:徽徽
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本文經授權轉載自友站科技新報文/ Emma stein 

4月10日是全人類見證宇宙黑洞的一刻!事件視界望遠鏡計畫於 10日召開全球連線記者會,發布人類史上第一張「黑洞剪影」照片,與地球一樣大的虛擬洲際望遠鏡拍下了位於 M87 星系中心的超大質量黑洞。你必須知道這次的成就有兩大重要意義:第一,科學家首次以「直接證據」證明黑洞存在;第二,愛因斯坦繼續屹立不搖。

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10號這天,事件視界望遠鏡計畫召開全球連線記者會,公布了人類史上第一張黑洞的照片。

Photo: EHT Collaboration

黑洞是個全暗物體,基本上融入在同樣全黑的宇宙背景中,我們無法直接看見黑洞在哪兒,加上黑洞一旦形成就會開始吸取附近所有物質、光線、電磁波,因此尋找黑洞是一件相當困難的工作。

過去,天文學家尋找黑洞都是透過間接證據,比如發現圍繞著黑洞的吸積盤、黑洞噴出的相對論性噴流、重力波、或恆星運動等去推測,儘管這些間接證據都很有力,但不是直接拍下黑洞,科學家心底總是會對未知事物存疑。

而事件視界望遠鏡(EHT)計畫要做的工作,就是將分布在地球各地的電波望遠鏡以特長基線干涉技術連接起來,變成一個和地球一樣大的巨型虛擬望遠鏡,使儀器的角解析度精確到足以直接觀測黑洞事件視界(Event Horizon),去應證愛因斯坦百年前的預測。

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事件視界望遠鏡(EHT)計畫要做的工作,就是將分布在地球各地的電波望遠鏡以特長基線干涉技術連接起來,變成一個和地球一樣大的巨型虛擬望遠鏡,使儀器的角解析度精確到足以直接觀測黑洞事件視界(Event Horizon)。

Photo: 中央研究院

所謂事件視界就是黑洞整體的邊界,更是我們所能拍攝到最接近黑洞本身的圖像。10號這天,在美國華盛頓、台灣中研院、聖地牙哥、布魯塞爾、日本東京、中國上海等全球 6 場連線記者會中,天文學家們終於發布了第一張直接對黑洞成像的照片,是位於距離地球 5,500 萬光年、M87 星系中心質量達太陽 65 億倍的超大質量黑洞。

根據愛因斯坦廣義相對論的預測:黑洞乃宇宙中高度壓縮的物體,它的存在會使周遭時空扭曲,並且加熱周圍物質使該區域發光;有光就有影,當黑洞浸在這個明亮區域時,愛因斯坦便預測黑洞自身會在其中無所遁形,本體將出現在一圈亮光中間的黑暗區域,只是我們從來沒有見過,直到現在。

研究團隊花了 1 年多的時間處理龐大觀測數據,將直接拍攝的圖像與套用廣義相對論的大量電腦模型圖像雙重比對(模型的參數值多到你我無法想像),最終確認兩者無出入,愛因斯坦的等效原理去年才在一個極端三星系統中驗證無誤,現在對黑洞的預測又再次經受了考驗。

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事件視界望遠鏡觀測波長為 1.3 毫米,角解析度達到 20 微角秒,相當於你從巴黎路邊咖啡館閱讀出現在美國紐約的一份報紙,如此銳利的「眼睛」告訴我們:M87 星系中心的超大質量黑洞,直徑是太陽系 3 倍。

Photo: 中央研究院

在此次觀測計畫中所使用的 8 座電波望遠鏡(註),有 3 座是由台灣中研院支援運轉(SMA、ALMA、JCMT),表明台灣對此次研究的重大貢獻,這次成果發表在科學上的重要性有三點,第一:揭開活躍星系中心的超大質量黑洞神祕面紗;第二,探索極限條件下重力理論的新工具;第三,成為研究黑洞相關天文物理(比如電漿物理)的先鋒。

當然,這次發表只是天文物理學的另一個開端,由台灣主導的格陵蘭望遠鏡(GLT)已經加入黑洞觀測計畫,在接下來的二期計畫中,將把虛擬洲際望遠鏡的觀測波長從 1.3mm 縮短至 0.4~0.8mm,或者說解析度再提升 10 倍,屆時,我們可以看到更清晰的黑洞陰影。

註:參與觀測此次黑洞事件視界的 8 座電波望遠鏡為:阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA)、阿塔卡瑪探路者實驗(APEX)、IRAM 30 米望遠鏡(IRAM)、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡(JCMT)、大型毫米波望遠鏡(LMT)、次毫米波陣列望遠鏡(SMA)、南極望遠鏡(SPT)。