「黑洞」歷史性曝光,台灣與34組科學團隊協力達陣
攝影
中研院新聞發佈現場。
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黑洞的真實樣貌,一直以來都是一個謎,也是天文學家目前亟欲探求的真相。透過34個科學家團隊組成、與地球直徑一樣長的陣列「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」、長達7年的努力,就在台北時間2019年4月10日晚上21點,人類首次捕捉黑洞樣貌的影像將呈現在世界眼前,而台灣在這項跨時代的歷史任務中,貢獻了關鍵技術。

由橫跨世界12國、共34組科學家的研究團隊,成立「事件視界望遠鏡」,即瞄準宇宙黑洞。這項龐大的計畫,透過設立在美國、智利、格陵蘭、墨西哥、西班牙和南極等地的陣列天線組成,其中最主要的望遠鏡分別為夏威夷的次毫米波陣列望遠鏡(Sub-Millimeter Array, SMA)、智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與台灣和哈佛大學團隊於2017年共同架設的格陵蘭望遠鏡。
參與格陵蘭望遠鏡建置的中山科學研究院顧問荊溪暠指出,格陵蘭望遠鏡是「事件視界望遠鏡」計畫重要一環,而其中關鍵的電子機械技術就是來自台灣。
「事件視界望遠鏡」主要觀測標的為位於銀河系中央,距離地球約26,000光年的超大質量黑洞人馬座A*以及M87星系中央的超大質量黑洞。致力於超大質量黑洞觀測,並以取得「超大質量黑洞」的資訊做為計畫目標。

歷史成就1:接收電波變化實現黑洞成像

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2019年4月9日,事件視界望遠鏡計畫(EHT)發布人類歷史上首次得到的超大質量黑洞成像。(Photo credit/EHT Collaboration)
2019年4月9日,事件視界望遠鏡計畫(EHT)發布人類歷史上首次得到的超大質量黑洞成像。(Photo credit/EHT Collaboration)
今天晚上21點,台灣中研院與美國華盛頓、智利聖地牙哥、比利時布魯塞爾、日本東京與中國上海6國研究機構,同步舉行記者會,呈現事件視界望遠鏡的觀測成果。由於各國都簽定保密條款,事先都不能先把這張歷史照片曝光。
荊溪暠認為,會選在上述6個國家舉行記者會,除了這6國是事件視界望遠鏡的成員國外,在這次的觀測中都做出了重要的貢獻,不論是在技術或是資訊分析,「台灣的天文觀測實力是國際知名的!」
荊溪暠指出,進行天文觀測時一般就是觀測「星體的光波」、「電磁波變化」與「粒子」,而這次「事件視界望遠鏡」的成果,就是觀測黑洞的電磁波變化,進而獲得相關數據。
中央大學天文研究所教授陳文屏受訪時解釋,黑洞會吞噬周圍越過 「事件地平線」(event horizon) 的物體,因此過去無法對於黑洞進行觀測,充其量只能觀測即將被黑洞吸入的物質,藉此推測黑洞的構造與樣貌,這類的觀測方式在天文學中被定位為「間接觀測」。如今,事件視界望遠鏡將可能把這類研究成果再往前推進。

歷史成就2:陣列天線補強觀測解析度

荊溪暠說明,這次觀測的超大質量黑洞距離地球很遠,而且體積非常小,因此如果只用過去的觀測方式,解析度差、無法辨別訊號,非常容易誤判。「事件視界望遠鏡克服這件事情的方法,是將天線設計成陣列,相互補強以增加解析度。例如智利的ALMA就由66組陣列天線組成、夏威夷的SMA則有8組。」
不過只增加訊號還不足夠,天文學家推估,若要順利觀測到離地球最近的超大質量黑洞,望遠鏡的直徑必須等同於地球直徑。因此在2年前,由台灣與哈佛的團隊,在格陵蘭建設與智利ALMA同樣規格的陣列天線。
回憶在格陵蘭建設望遠鏡的過程,荊溪暠指出,最困難的就是設備禦寒與鋪設線路,「格陵蘭望遠鏡的雛型並不是為了酷寒環境設計,因此設備必須全部更換成耐寒的裝置,才能適應格陵蘭嚴酷的天氣,甚至有些元件必須完全在固定的環境條件之下才不會損毀。此外,格陵蘭的運補並不方便,基礎設施有限,因此整個望遠鏡的線路都必需重新鋪設。」
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於EHT連線演習期間,工作團隊在格陵蘭空軍基地的格陵蘭望遠鏡控制室內合照。由左至右為陳明堂(天文所)、Nimesh Patel(史密松天文臺)、劉冠宇(天文所/東亞天文臺)、淺田圭一(天文所)及西岡宏朗(天文所)。(相片提供/中研院)
於EHT連線演習期間,工作團隊在格陵蘭空軍基地的格陵蘭望遠鏡控制室內合照。由左至右為陳明堂(天文所)、Nimesh Patel(史密松天文臺)、劉冠宇(天文所/東亞天文臺)、淺田圭一(天文所)及西岡宏朗(天文所)。(相片提供/中研院)
格陵蘭望遠鏡計畫主持人、中研院天文及天文物理研究所研究員陳明堂過去受訪時曾提到,當年在選擇架設地點時,考慮新望遠鏡的地點必須離智利、夏威夷夠遠,而且環境必須適合觀測。紐西蘭、阿拉斯加都曾是選項,不過最後權衡後,決定在已有大氣觀測站設施的格陵蘭。
克服外在困難後,2017年格陵蘭望遠鏡正式服役,與智利、夏威夷,3個觀測點連接形成一個接近地球直徑的陣列式望遠鏡,藉此有效觀測超大質量黑洞。
除了這3個電波望遠鏡之外,計畫中還有10多個坐落於各國的望遠鏡、天文台參與其中。陳文屏說明,天文觀測很難一時一地就能完成,因此需要各地的團隊、不同的望遠鏡配備,甚至是相異的觀測時間共同進行,「有些人負責北半球觀測、有些負責南半球;有些負責白天、有些負責晚上。透過這樣接力觀測的方式,才能完成任務。」
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格陵蘭望遠鏡於格陵蘭空軍基地現況照片。(相片提供/陳明堂)
格陵蘭望遠鏡於格陵蘭空軍基地現況照片。(相片提供/陳明堂)

歷史成就3:看見黑洞周邊環境

陳文屏形容,人類目前對於黑洞的觀測、理解仍然非常有限,但是有任何的進步都是很重要的突破,「過去我們只能知道物體經過黑洞旁邊時發生了什麼事,但是這一次的成果,或許將會把黑洞周邊的環境解釋的更清楚一點,對於未來的黑洞觀測與研究將會有更大的助益。」
雖然陳文屏認為這次的觀測成果,可能是現階段的技術可以做到最好的地步,不過他仍認為有些突破的空間,「現在格陵蘭望遠鏡是設置在海拔較低的地方,未來如果能夠克服運補問題,搬移到海拔較高的山區,觀測時受到的干擾更小,或許能讓觀測成果更加顯著。」
陳文屏也解釋,雖然大家都以「照片」形容這次的成果,但是更精確解釋,這次電波望遠鏡接收到的資訊是科學數據,再藉由科學數據進行模擬而得出的影像。
但對於投身在黑洞研究的天文學家們,這一個突破,已把人類對黑洞的觀測和理解推進一步,成為科學家繼續探究未知黑洞的墊腳石。
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理論模擬不同角度的黑洞剪影。(圖片版權/卜宏毅)
理論模擬不同角度的黑洞剪影。(圖片版權/卜宏毅)

解析黑洞5大謎

(解答者:中央大學天文研究所教授陳文屏)
1. 黑洞怎麼形成的?
宇宙中的黑洞,目前認為多是由恆星在自體的核融合反應停止後,無法對抗外部的重力而逐漸崩塌、萎縮,當大量的物質被擠壓到一個點後,引力趨近無限大就形成黑洞;但少部分黑洞,形成原因不明。
與其說黑洞是一個「東西」,它更像是一個「狀態」。試想把很多很多的東西塞到一個小盒子裡面,那一個盒子裡面的引力就會變成非常大,當東西越塞越多,引力越來越大,連光都會被吸進去,這樣的狀態就是黑洞。
2. 黑洞裡面有什麼?
黑洞的內部是什麼樣的模樣?是科學家不斷想獲知的答案。雖然此次「事件視界望遠鏡」計畫,可以突破過往的觀測限制,把黑洞周圍的樣貌拍的更清楚,但仍然無法直接觀測到黑洞內部,不過現在有一點可以確定,任何物體接近黑洞時,確實會被吸引,但仍可逃離;可是,一旦越過了被稱為事件地平線的紅線之後,就一定會被黑洞吸收,並變成黑洞的一部分。
3. 宇宙裡究竟有多少黑洞?
現在天文學界對於黑洞都處於發現與觀測的階段,而且由於無法進行直接觀測,僅能間接觀測,因此目前仍無法說明宇宙中的黑洞有多少個。
4. 霍金黑洞的自我辯證論?
「黑洞理論」創始者、已故的英國著名物理學家史蒂芬・霍金(Stephen Hawking),後來卻曾發表論文推翻自己的「黑洞理論」,宣稱黑洞(Black holes)其實不存在,真實存在的是「灰洞」(Grey holes)。
不過,後來亦有科學家認為,「灰洞」的觀念是有別於「黑洞」,有些黑洞並不是會把所有的東西都吸進去,有些光波能夠逃離魔掌,定義與早年的黑洞有異,而以「灰洞」稱呼。不過「灰洞」至今仍只是一種說法,並沒有足夠證據支持,並不是一個正式的學說,也並非學術上的正式名詞。
5. 為什麼要尋找「黑洞」?
對天文學家而言,黑洞是一個很迷人的東西,雖然對於黑洞的觀測時間不超過百年,然而若能夠理解黑洞的本質、形成的過程與內部的樣貌,或許可以解答現今天文學上無法解答的問題,或是在天文學研究中獲得突破。
【後續與迴響】 中研院團隊率先觀測到史上首張黑洞影像 (2019.4.11 更新) 人類史上第一張超大質量黑洞的影像,昨晚正式出現在世人面前。這張一年多前就捕捉到的珍稀影像,中研院團隊是第一批觀測到的成員,經過反覆驗證, 4月10日晚間才正式公布。
由全球超過30個研究團隊共同支持、投入研究,以觀測黑洞為目標的「事件視界望遠鏡(EHT)」計畫,昨天晚上9點在全球6個城市同步舉行記者會,公布一個距離地球5,500萬光年,位在M87星系中心的黑洞影像。
中研院院長廖俊智說明,這張超大質量黑洞的影像,不但是人類空前的紀錄,對中研院而言也是重要的成就,在全球參與這項計畫的8個觀測站中,其中3個有中研院天文所團隊的身影,他們總共負責4座望遠鏡的建置與運作。
由於是全球同步記者會,事前對於黑洞的影像、觀測的方式與時間都保密到家,甚至研究團隊成員都婉拒受訪。當晚間9點07分,全球同步揭露這張珍貴影像時,現場響起如雷掌聲,而原本表情較為嚴肅的研究團隊成員臉上,終於露出一絲笑容。
這次的黑洞觀測計畫,中研院共有4個研究團隊參與,其中天文所博士後研究員小山翔子率領的影像處理團隊,在2017年4月率先觀測到了黑洞影像,在經過一年多的重複驗證,終於確定這就是黑洞的影像。
參與計畫的中研院天文所副研究員淺田圭一說明,這次的成果是藉由黑洞的陰影,間接證明黑洞真實存在。他進一步指出,現有儀器確實無法拍攝黑洞本身,但是光線受到重力波影響而造成轉折時,會形成陰影,事件視界望遠鏡的觀測方式,就是追蹤這些黑洞的影子,並透過分析模擬,將影子變成圖像。
這次的發現對於天文學研究也是一個重要里程碑。淺田圭一表示,這次突破對於天文學研究有3個貢獻:
  1. 揭開了活躍星系中,超大質量黑洞的神祕面紗。
  2. 為重力理論提供了新的研究工具。
  3. 為與黑洞有關的天文物理學開創了新的研究可能。
淺田圭一透露,去年中研院的研究團隊早已觀測到黑洞,但由於當時這項計畫仍是機密,因此不能公開,不過當時團隊成員仍難掩興奮,比出了空心拳頭,暗示已經看到黑洞。而這個研究團隊成員,也是人類史上第一批看到黑洞的人。
廖俊智在會後受訪時還「爆料」,整個中研院內除了研究團隊成員外,沒有人看過這個影像,甚至連確定要開記者會後,研究團隊對院內做的簡報,也把關鍵的圖像全部拿掉,「我今天也是第一次看到黑洞,不過跟我想像中的黑洞滿像的。」
成功取得成果後,格陵蘭望遠鏡計畫也將在2020年邁入第二期。淺田圭一指出,除了將更新望遠鏡的硬體設備、加入更多國際觀測計畫外,最重要的一點,是要將目前在低海拔的格陵蘭望遠鏡遷移至海拔較高的山區,減低觀測干擾讓觀測能力提升。
在昨天晚上記者會直播的過程中,除了關注研究成果外,不少網友發現參與研究的中研院研究人員都是日本學者。事實上,中研院天文所確實是院內日本研究人員密度最高的地方,也有日本研究人員舉家搬來台灣。
來台灣從事學術工作16年的天文所研究員松下聰樹指出,台灣在天文學領域是國際知名的,因此許多日本人在選擇工作地點時,除了日本外就是台灣與美國,加上中研院提供的研究與國際合作機會非常多,因此確實吸引了不少日本研究者前來任職。

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