人類首張黑洞照片問世,開啟天文物理學新紀元

人類首張黑洞影像顯示為具有中心的黑點及外圍的亮圈,黑點為黑洞的陰影,而外圍的亮圈則是環繞在黑洞周邊的氣體(圖:Event Horizon Telescope collaboration)

事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT),一個跨越全球的天文望遠鏡網路,聚焦於一個位於 M87 星系的超大質量黑洞,成功拍下人類首張黑洞照片。

人類首張黑洞照片

事件視界望遠鏡負責人及天文物理學家夏普·多爾曼博士(Sheperd Doeleman)表示:「我們已看到我們認為看不到的東西―我們成功看到並拍下黑洞的照片。」美國國家科學基金會(National Science Foundation)主任弗朗斯·科爾多瓦博士(France Córdova)也在記者會上表示:「我們一直在研究黑洞,有時卻很容易忘記我們沒有人真的看過一個黑洞。」

這是因為黑洞非常難看到。黑洞的重力場極大,導致連光都無法穿過黑洞的邊界,也就是所謂的事件視界(Event Horizon)。但有些黑洞,特別是位於星系中心的超巨大黑洞,因為其極巨大,且含有氣體及其他物質的明亮吸積盤(accretion disk)而特別醒目。EHT 所拍攝的影像即為 M87 中心黑洞的吸積盤陰影,看起來像是一個模糊且不對稱的環,使得黑洞的面貌首次曝光。

除此之外,這個影像也提供了該黑洞的大小及質量的資訊。阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)理論天文物理學家瑟拉·馬可夫教授(Sera Markoff)表示:「藉由直接觀察黑洞的陰影,就能幫助我們解決一個長久的質量爭議。使用不同技術所預測的黑洞質量約為太陽的 35 億到 72.2 億倍。不過藉由 EHT 的量測,我們可得知其質量大約是太陽的 65 億倍。此外,該黑洞的直徑達 380 億公里,並以順時鐘方向旋轉。即使以超巨大黑洞的標準而言,M87 還是超級巨大。」

驗證廣義相對論

此次拍攝的影像與愛因斯坦廣義相對論所預期的黑洞長相一致。在廣義相對論中,愛因斯坦預測時空會因為極大質量的黑洞而扭曲。該張照片是支持黑洞存在的有力證據。佛羅里達大學(University of Florida)物理學家克利福德·威爾教授(Clifford Will)表示:「在此之前,廣義相對論是藉由觀測黑洞附近星體或星際雲的運動,但從來看不到黑洞的邊緣。黑洞照片能幫助檢驗廣義相對論。能夠親眼實際看到陰影及偵測到黑洞是很成功的第一步。」

不過 EHT 團隊成員,亞利桑納大學(University of Arizona)天文物理學家費麗雅·奧佐教授(Feryal Özel)表示:「黑洞環境可能是廣義相對理論崩解之處。因此,若在該極限環境下測試廣義相對論,可能會出現偏離愛因斯坦所預測的現象。僅僅第一張照片能佐證廣義相對論,並不代表廣義相對論是完全正確的。許多物理學家認為重力不會只與廣義相對論有關,因為廣義相對論與另一重要的物理理論相矛盾,也就是描述極小尺度的量子力學。」

M87 黑洞和人馬座 A*

EHT 試著拍攝 M87 的黑洞和銀河系中央的超大質量黑洞―人馬座 A*(Sgr A*),不過結果是 M87 的黑洞較好成像。M87 的黑洞距離地球 5,500 萬光年,比人馬座 A* 遠了 2,000 倍距離,而其質量也是人馬座 A* 的 1,000 倍(人馬座 A* 約為太陽質量的 400 萬倍)。

因為其重力,環繞在 M87 黑洞周圍氣體的移動和在明亮度的變化,比銀河系附近的黑洞氣體還要來得緩慢。奧佐教授表示:「在單次的觀察中,人馬座 A* 周邊的氣體不會靜止,但是 M87 的黑洞會。從這個觀點來看,我們就知道拍攝 M87 會比拍攝人馬座 A* 來得容易。」

不過,EHT 團隊仍然對一窺人馬座 A* 的面貌保持期待。EHT 團隊持續收集一些關於人馬座 A* 的資料,並持續分析資料,希望總有一天能夠拍攝出其影像。不過,由於人馬座 A* 的外貌變化很快速,EHT 團隊必須研發新技術來分析資料。亞利桑那大學的天文物理學家丹尼爾·馬龍教授(Daniel Marrone)表示:「我們很快就會研究人馬座 A*。雖然我們還沒有辦法保證任何東西,但我們希望可以盡快得到結果。」

在分析更多資料後,EHT 團隊希望可以發現更多黑洞的神祕之處,例如 M87 的黑洞是如何向太空吐出一束明亮的帶電粒子長達上千光年之遠。此外,哈佛大學天文物理學家亞伯拉罕·勒布教授(Avi Loeb)表示:「研究不同黑洞的環境可以揭曉更多關於黑洞行為的細節,畢竟銀河系與 M87 星系是非常不同的。」

更多天文望遠鏡加入

2017 年,很幸運地,EHT 全球 8 個觀測站都是好天氣的情況下,拍出了第一張黑洞照片。不過緊接而來 2018 年的惡劣天氣及技術困難,而取消了 2019 年的觀察,也使得團隊陷入困境。

不過好消息是到 2020 時,會有更多天文台加入觀測行列。其中格陵蘭望遠鏡(Greenland Telescope)於 2018 年加入 EHT 團隊;緊接著 2020 年還有位於美國亞利桑那州的基特峰國家天文台(Kitt Peak National Observatory)及位於法國阿爾卑斯山的北方擴展毫米波陣列射電望遠鏡(NOrthern Extended Millimeter Array,NOEMA)預計加入團隊。

加入更多的望遠鏡能夠讓團隊將影像延伸,並且更能捕捉從黑洞中吐出的帶電粒子束。研究人員也計畫要用較高頻率的光來進行觀測,使得影像更為清晰。此外,多爾曼教授表示:「征服世界已經不夠滿足我們了。我們想要進一步上太空。」

 

參考資料:

  1. Grossman, L., Conover. E., (2019, Apr 10). The first picture of a black hole opens a new era of astrophysics. Science News
黃威翔
黃威翔 78 文章
清華大學材料工程學系碩士畢業生。一個喜歡學外語,但又在科學領域打滾的平凡人,喜歡美食,日劇,電影,旅遊。

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