NASA 製作高解析度視覺化黑洞模擬影像

科技不斷進步，因此未來黑洞的直接影像將隨時間而逐漸改善。最近，美國太空總署（NASA）製作一張黑洞的高解析度視覺化模擬影像，其中顯示了一個不斷成長的超大質量黑洞（supermassive black hole），有助於大眾認識黑洞的組成。

NASA 黑洞視覺化模擬影像（圖：NASA）

黑洞影像

超大質量黑洞座落於大部分大型星系的中心，而至於它們如何到達那邊還是個謎團。黑洞或星系何者先出現仍是宇宙學的一大問題。而我們知道的是：超大質量黑洞非常大，為太陽質量的數百萬或數十億倍；它們可以控制恆星的形成；當它們甦醒並開始吞噬時，會成為宇宙中最亮的物質。而在最近幾十年來，科學家也逐漸理解它們的一些奇妙動態。

世界上第一張黑洞的模擬影像是使用 1960 年代的 IBM 7040 電腦所計算出，並由法國天文物理學家尚·皮埃·盧米內博士（Jean-Pierre Luminet）於 1978 年手繪畫出，而這張黑洞影像與 NASA 的模擬影像很相似。而 2019 年，人類獲得第一張黑洞 M87* 的事件視界（event horizon）的直接影像，這是科學發展上的驚人創舉。然而獲得這張影像非常困難，呈現出的影像解析度也相對模糊。

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影像中的黑洞組成

在這些黑洞影像中，均可看到在中央有一黑色圓圈，此即為事件視界。在這個點，包括光、無線電波、X 光等的電磁輻射線的脱離速度均無法快到足以脫離黑洞的重力場。跨過黑洞中間的部分是由打轉於黑洞周圍的材料所形成的材料盤前端。材料盤因為摩擦而產生了很強的輻射形成吸積流，因此人們才得以用事件視界望遠鏡捕捉到黑洞影像。

人們還可以觀察到光子環（photon ring），一個在事件視界周圍的完整光環。此外，也可以看到在黑洞周圍具有寬廣範圍的光。這些光實際上來自於黑洞後方的吸積盤（accretion disc）；然而，即使這些光位於事件視界之外，由於重力過強，使得重力扭曲時空，並使得黑洞周圍光的路徑彎曲。

另外，人們也能觀察到吸積盤的一側比另一側更亮。這種效應稱為「相對論聚束效應」（relativistic beaming），這是由於吸積盤的旋轉所造成。朝向人們的方向移動的吸積盤部分較亮，原因是這個部分以接近光速的速度移動。這個運動使光的波長發生頻率變化，即所謂「都卜勒效應」（Doppler effect）。也因此，遠離人們的那一側較暗，因為反方向的運動帶來了相反的效果。

盧米內博士在其發表的論文中指出：「黑洞是唯一能讓吸積盤內部區域接近光速的旋轉速度，並產生強烈都卜勒效應的星體，而這種明顯光度的不對稱性正是黑洞的主要特徵。」NASA 的模擬圖能幫助人們了解超大質量黑洞周圍的極限物理，並幫助人們了解人類第一張黑洞 M87* 到底拍到了什麼。

參考資料：

1. Starr, M., (2019, September 26). New NASA Visualisation of a Black Hole Is So Beautiful We Could Cry. Science Alert
2. Reddy, F. (2019, September 26). NASA Visualization Shows a Black Hole’s Warped World. NASA
3. Luminet, J. (2018, April 11). Seeing Black Holes : from the Computer to the Telescope. arXiv.org