黑洞首張照片是如何拍攝?

科學家:宇宙怪物現真身!

人類首張黑洞相片周三(10日)晚上揭曉。全球約200名科學家合作的「事件視界望遠鏡」計劃,在多個地方舉行記者會,6個城市包括台北、東京等同步直播。科學家形容這個位於M87星系的黑洞質量極大,是絕對的「怪物」(monster)。但究竟什麼是黑洞?如何拍攝黑洞?這張照片又為何要花費2年時間「沖曬」?

■圖為科學家在記者會上公佈首張黑洞照片。主圖為2017年科學家發放有關黑洞的模擬圖像。

全球首張黑洞照片,周三早上9點07分曝光,由全球科學家組成的研究團隊,在美國華盛頓、智利聖地亞哥、日本東京、比利時布魯塞爾、中國上海以及台北6地同步,向全球觀眾直播集合全球頂尖望遠鏡之力,首次完成的黑洞影像,解開宇宙最大的奧秘。

據有份參與項目的荷蘭奈梅亨大學(Radboud University)教授法爾克(Heino Falcke)介紹,這個黑洞位處M87星系,質量達到太陽的65億倍,也是科學家認知中最具質量的黑洞之一。

法爾克形容它絕對是「怪物」,是宇宙中的重量級冠軍黑洞,又指它就像一個火環(ring of fire)。

中國科學院上海天文台研究員袁峰指,「現在看到的照片大體來說有兩個部分,嚴格來說是兩個結構。」

他指一部分是中心區域不太發光的陰影,另一部分是圍繞這個陰影的發亮圓環。

他稱,圓環發的光,就是從「吸積盤」(Accretion disk)上發出,而黑色的陰影要比黑洞本身要大幾倍,這證實了愛因斯坦廣義相對論的預言。

這個「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)的計劃,由全球約200名科學家聯手合作。在計劃中,科學家把各地天文望遠鏡連接組合,以建造一個超巨型的望遠鏡虛擬網絡,這些望遠鏡分別位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極。科學家形容,這就好比「如地球一樣大」的超巨型望遠鏡,為黑洞「拍照」。

■人類過去靠間接證據來推測黑洞的存在,這場科學界盛事不僅會讓大眾更了解黑洞,甚至可能會改寫過去的認知。

黑洞分三類  銀河系有千萬個

科學家認為黑洞是宇宙中最神秘的天體之一,是擁有強大引力的物體,其周圍形成一個引力場,在一定範圍內,連光線都無法逃脫。根據理論推算,在銀河系中,恒星量級的黑洞就有上千萬個。

科學家會根據質量把宇宙中的黑洞分成3類,包括恒星級質量黑洞(質量是太陽的幾十倍至上百倍)、超大質量黑洞(質量是太陽的幾百萬倍甚至以上)和中等質量黑洞(質量介於兩者之間)。

這次科學家拍攝的目標有兩個黑洞,均屬於超大質量黑洞,其中一個是黑洞「人馬座A*」(Sagittarius A*),質量估計是太陽的400萬倍,它與地球的距離,達到約2.6萬光年。另一個是「M87」星系黑洞,與地球距離更是達到約5,400萬光年。

由於黑洞與地球相距極遠,故此科學家形容,相當於在地球拍攝月球上的一個橙,需要有極大型的望遠鏡才能觀測。

黑洞不發光 處理數據花兩年

黑洞自身不發光,難以直接觀測,故此這次科學家所「拍攝」的,其實是黑洞的「陰影」。這是由於黑洞的引力會吸聚物質到它附近,使它周圍通常都有一個吸積盤環繞。吸積盤非常熱且光亮,與黑洞對比明顯,因此可以通過觀測這個「吸積盤」來為黑洞拍照。

在過去2年多來,科學家就一直收集從這些望遠鏡中得到的數據,以製作黑洞的相片。據科學家形容,這個望遠鏡虛擬網絡,就好比一個與「地球一樣大」的超大型望遠鏡。

■黑洞首張照片:「事件視界望遠鏡」項目集合了各地望遠鏡,組成一個望遠鏡網絡,以觀察黑洞。

這張黑洞的首張照片,其實早在2017年4月「拍攝」,當時由全球多部天文望遠鏡組合進行聯合觀測,但由於並非直接拍出黑洞的圖像,故此也要花費極多時間「沖曬」,包括處理當中的各項數據、補足缺失的部分,並展開校準數據的工作。

科學家過去僅通過間接證據推測黑洞的存在,例如是黑洞的超強引力對周圍恆星的影響等。

早在1915年,物理學家愛因斯坦發表廣義相對論,最先預言黑洞的存在。路透社引述美國亞利桑那大學(University of Arizona)天文物理學家普薩爾季(Dimitrios Psaltis)指,「在愛因斯坦的理論中,這個(黑洞)陰影的形狀應該差不多是個完美的圓形。若然我們發現與理論估計的不同,那麼我們就會返回基本步,清楚地知道有些東西不是正確了。」

兩岸科研團隊 皆有貢獻

目前尚不清楚參與此次EHT項目的200多名研究人員中有多少來自中國,但中國的天文學家為EHT項目做出了重要貢獻是不爭事實。北京大學物理學院天文系主任吳學兵教授說,他所在的天文系就參與了此次項目。

吳教授指出,「處理的數據量非常大。對於任何一個國家來說,這都是一項不可能單獨完成的任務,需要全球合作才能完成。」

至於台灣的中央研究院天文及天文物理研究所,此次主要協助在觀測站架設天文望遠鏡,並且參與黑洞觀測計劃。格陵蘭望遠鏡計劃負責人、中研院天文所研究員陳明堂直言︰「在很短時間內,要在溫度經常低於攝氏零下30度的嚴峻環境中架好一座新望遠鏡,必須克服很多困難,而今它已成為北極唯一的次毫米波電波望遠鏡。」

談到台灣在此項研究扮演的角色,中研院表示,EHT的研究結果將是人類第一次能夠驗證黑洞是否存在於宇宙之間的理論,也是愛因斯坦廣義相對論問世百年後,對該理論最終的科學驗證。

中研院十年前便開始加入此計劃,台灣的天文學者投入的研究資源與人力,帶給人類知識突破性進展;這也是台灣身為地球村的一分子,帶給國際社會最有價值的貢獻。                       

■撰文:成依華