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天文新知

人類史上第一張超大質量黑洞成像

經歷多年的努力,天文物理學界今日發佈重大發現:人類史上第一張超大質量黑洞的影像!這是由事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT)於2017年4月觀測到的活躍星系M87中心的超大質量黑洞影像,其中影像中間闇影的部分,就是超大質量黑洞所在之處!
ETH觀測之M87星系中心超大質量黑洞成像。圖像版權:EHT

事件視界望遠鏡(EHT)係由8座散落全球各地的電波望遠鏡陣列組成,形成與地球一樣大的虛擬陣列望遠鏡,其中中研院支援3座(SMA、ALMA、JCMT)。主要目標為觀測黑洞的邊界(事件視界,event horizon)的成像。EHT解析度高達20微角秒,相當於在巴黎咖啡館遠距閱讀一份在紐約的報紙。

此次EHT觀測到的黑洞,不同於以往模擬影像,為人類史上首張超大質量黑洞成像。這個超大質量黑洞位於M87星系中心,與地球相距5,500萬光年,質量約為太陽的65億倍。依理論模擬結果,一般黑洞陰影部分的大小,大約會是其事件視界的2.5倍大。M87星系中心超大質量黑洞的陰影,估算相當於300AU左右。此外,從影像中南北向亮度不對稱的現象,與理論模擬結果相互比較後,這些研究學者確認黑洞周圍的氣體以非常快的速度運動中,且黑洞相對於地球是以順時鐘方向旋轉,才會讓比較亮的部分位在偏南的方向。因此這個觀測證實了M87星系中心的確有個旋轉中的超大質量黑洞。

愛因斯坦廣義相對論曾預測黑洞陰影,但過去從未有人見過。此次EHT也派員前往世界最高、最邊境的電波望遠鏡站點,再度檢驗人類對重力的理解。也是對廣義相對論最終的科學驗證。

EHT的合作計劃共有來自世界各地200多位研究人員參與。中研院天文學家長期投入對黑洞的研究,參與 EHT 的觀測工作已經歷數年的時間。中研院除了參與8座中的3座觀測站,最新在北極建造的「格陵蘭望遠鏡」 已經在 2018 加入 EHT的觀測。目前觀測資料正在處理當中。我們預期由於格陵蘭望遠鏡的加入,EHT 的解析能力將最多可以提高到10倍。
 



★事件視界望遠鏡(EHT)是什麼?
EHT係由8座散落全球各地的電波望遠鏡陣列組成,形成與地球一樣大的虛擬陣列望遠鏡,其中有3座(SMA、ALMA、JCMT)是由中研院支援。主要目標為成像黑洞的邊界(事件視界)。解析度高達20微角秒,相當於在巴黎咖啡館遠距閱讀一份在紐約的報紙。

★EHT包含哪八座望遠鏡?
#ALMA 阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡 
#APEX 阿塔卡瑪探路者實驗
#IRAM 30米望遠鏡
#JCMT 詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡
#LMT 大型毫米波望遠鏡
#SMA 次毫米波陣列望遠鏡
#ARO 次毫米波望遠鏡
#SPT 南極望遠鏡

★黑洞這麼黑,怎麼拍?
的確,黑洞是極度壓縮的全暗物體,無法直接被拍攝,因此我們拍到的並非傳統攝影影像,而是黑洞陰影的成像。成像藉由8座望遠鏡的特長基線干涉技術觀測,收集波長1.3毫米的電波訊號,每座望遠鏡每日產生350TB數據,再送至高度特製化超級電腦計算處理。

★黑洞在哪裡?
此次成像的黑洞位於M87星系中心,與地球相距5,500萬光年,質量為太陽的65億倍。

★從EHT觀察中可以學到什麼?
許多天文觀測已有充分間接證據證明黑洞存在,但目前為止,從未直接觀察到距離黑洞非常近的地方,即接近事件視界之處,EHT可以填補我們經驗知識中這部分的空白。

★與愛因斯坦的關係?
今年適逢日全食實驗印證廣義相對論滿100周年,愛因斯坦廣義相對論曾預測黑洞陰影,但過去從未有人見過。此次EHT也派員前往世界最高、最邊境的電波望遠鏡站點,再度檢驗人類對重力的理解。也是對廣義相對論最終的科學驗證。

★為什麼研究黑洞很重要? 
目前還不了解如何創建普遍而單一的物理理論,可解釋黑洞物理學。此外,黑洞周圍的電漿物理學也還有許多細節未能完全理解。因此,除了解釋廣義相對論和量子物理在黑洞的直接接觸外,EHT的觀測將幫助我們更好地了解黑洞周圍的熱氣體及其產生的輻射的發光電漿的性質和行為。

★臺灣(中研院)的貢獻與下一步
EHT的合作計劃共有來自世界各地200多位研究人員參與。中研院天文學家長期投入對黑洞的研究,參與EHT的觀測工作已經歷數年的時間。中研院除了參與8座中的3座觀測站,我們最新在北極建造的「格陵蘭望遠鏡」 已經在2018加入EHT的觀測。目前觀測資料正在處理當中。我們預期由於格陵蘭望遠鏡的加入,EHT的解析能力將最多可以提高到10倍。
 
以下為黑洞的一些常識補充介紹:

★什麼是黑洞?
簡單的說:黑洞不是洞,而是質量很大的天體,但擠在範圍很小的空間內,讓這個天體的密度極大,重力場極強,使得在黑洞的事件視界(event horizon)範圍內,也就是黑洞重力可及的勢力範圍內的物質都會被吸往黑洞,即使連宇宙速度最快的光也無法逃脫,因而稱為黑洞。
由於以目前的科技,無法直接偵測到黑洞發出的光和電磁波,故而沒辦法證實它們的存在和性質,所以目前已知的黑洞應該都稱為「黑洞候選者」。

★如何偵測黑洞的存在?
由於連光都無法逃脫黑洞重力場,沒有光和電磁波能從黑洞發射出來而被我們偵測到,所以目前僅能藉由間接的方式偵測黑洞的存在:
(1)黑洞周邊吸積盤內的物質因快速運動,劇烈摩擦下,使該處溫度極高而發出強烈的紫外射線和X射線,所以反過來可以由這些強烈輻射得知此處有個與一般恆星迥異的天體,以此間接方式來「發現」黑洞。
(2)再從周邊恆星、星雲等天體或物質繞其公轉的極快的運動速度,可推測中間天體的質量大小和精確位置。如果推測出在極小空間範圍內有極大質量,意味著這裡的密度極高,與黑洞性質類似,就有可能是「黑洞候選者」。

★黑洞的種類與可能形成途徑?
黑洞形成過程,目前推測為:
(1)恆星型黑洞:質量相當於太陽數倍到數十倍、甚至上百倍的大質量恆星,演化到生命末期發生超新星爆炸後,外層大氣被炸開,而殘留的核心因重力向內塌縮而形成恆星型黑洞。
(2)中型黑洞:質量介在恆星型和超大質量黑洞之間,約數百至數萬倍太陽質量的黑洞,這類黑洞已知數量非常稀少,對其形成原因尚不清楚。有可能是許多恆星型黑洞合併之後的結果,也有可能是宇宙早期質量比較小的矮星系遺留的核心部分。
(3)超大質量黑洞:質量相當於太陽的數百萬倍至上億倍、甚至上百億倍,這種黑洞可能是星系合併成長過程中,從中型黑洞長大的,另還有是不斷吞噬其吸積盤物質以及周邊的天體而成長。目前已知的星系(包含我們自己的銀河系),絕大部分在其中心部位都有超大質量黑洞的存在,透過超大質量黑洞的強力重力拉住星系中的恆星、氣體與塵埃等,維持星系結構不致散開。我們銀河系中心的超大質量黑洞稱為「人馬座A*」,質量約為400萬倍太陽質量,事件視界範圍僅約0.08AU。

★觀測黑洞有什麼困難?
(1)因為不發出光或電磁波,無法直接觀察。
(2)因為黑洞所佔空間範圍很小,距離又很遠,所以必須使用解析度非常高的望遠鏡才能進行觀察。
(3)天文學家將全球各地的電波望遠鏡串連之後,形成一個口徑跟地球一般大的望遠鏡,使解析度提高許多。但要讓所有望遠鏡同步非常困難,因此需使用原子鍾和GPS進行校正,才能達到非常準確的程度。

(編譯/張桂蘭)
 
資料來源:中研院天文所

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