銀河系中心超大質量黑洞照片曝光,為何振奮科學界?【觀點】

12日晚間,事件視界望遠鏡召開全球記者會,公布銀河系中心超大質量黑洞照片,雖然人馬座A星離地球較近,但質量較小,難以觀測。加上黑洞附近的氣體移動速度接近光速,其造成的氣體擾動導致影像變化速度過快,必須使用更複雜的成像技術,才能取得足夠清晰的照片。

(※ 文:曹盛威、郭令鈞、雷雅淇、侯郁家、劉品萱,《泛科學》編輯部)

還記得2019年4月拍攝到的第一張黑洞照片嗎?那是來自5500萬光年以外的M87星系。3年後的現在,也就是台灣時間2022年5月12日晚間,「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」舉辦全球記者會,公布人類史上第二張黑洞照片。

第二張黑洞照片主角的所在地,與人類一樣都位在「銀河系」,這也是銀河系中心的超大質量黑洞首次亮相。這張轟動全球的照片為什麼振奮人心?一切都要從「銀河系中心」開始說起。

在帕瑞納天文台(Paranal Observatory)的夜空中觀賞到的銀河系中心。(圖/維基百科)

我們怎麼知道銀河系中心有黑洞?

銀河系的中心到底有什麼呢?整個20世紀,科學家都在猜測這個問題的答案。

1933年,美國貝爾實驗室的工程師央斯基(Karl G. Jansky)在解決背景雜訊干擾無線電通訊的過程中,意外發現最強烈的干擾源,來自人馬座方向的無線電短波,而這個方向正好指向銀河系中心。後來,這個無線電波源的位置就被稱為「人馬座A」。這是人類第一次使用可見光以外的電磁波段觀測銀河,從此開啟了無線電天文學的發展。

二戰結束後,各國紛紛投入無線電天文學的領域。1970到1980年代,隨著科技不斷進步,天文學家發現人馬座A是由多重結構所組成。

1974年,巴利克(Bruce Balick)和布朗(Robert Brown)使用更精巧的電波望遠鏡,發現人馬座A的某特定區域釋放出明亮且緻密的無線電波,由於此特定區域是人馬座A最活躍的地方,因此以原子激發態—— *(唸作Star或「星」)來表示,將其命名為人馬座A星(Sagittarius A*)。

以波長 90 公分的無線電波,拍攝人馬座 A 區域的照片。(圖/維基百科)

表面攝氏千萬度是什麼天體?

根據不同波長的電波與射線得到的觀測結果,銀河系中心簡直是「金光閃閃、瑞氣千條」,各個波段的電磁波應有盡有。其中,最耐人尋味的是X射線。為什麼呢?

根據黑體輻射原理(Black-body radiation),如果一個物體主要發出的是X射線,那它的表面溫度估計超過攝氏1000萬度;相較於我們的太陽,主要發出的是可見光,表面溫度約為攝氏5500度。而此「攝氏1000萬度以上」的天體究竟為何物?

1960年代,天文學家姑且把這些未知天體稱為「類星體(Quasar)」。一開始推測類星體可能是黑洞、中子星、脈衝星、超新星等等,而目前主流學界認為「類星體就是黑洞」。

在黑洞的吸積盤上,高速繞行的物質會因劇烈的摩擦、碰撞,而產生高溫與磁場,並且激發強烈的電磁輻射。因此,天文學家認為,銀河中心強烈X射線的來源可能是黑洞。

電磁波的波長與性質。(圖/維基百科

另外一種觀測黑洞的方式是長時間紀錄恆星的軌道。如果發現這些恆星正在繞著看不見的天體運行,這個天體就有可能是個黑洞。

2020年的諾貝爾物理學獎得主是德國科學家根策爾(Reinhard Genzel)和美國科學家吉茲(Andrea Ghez)。他們透過當時世界上最大的光學望遠鏡,花了30年監看銀河系中心,追蹤附近恆星的軌道運動,發現人馬座A星附近,有很多恆星快速地環繞運行。

地球的運行速度最快只有每秒30公里,但在人馬座A星附近,有一顆稱為「S2」的恆星,最快甚至能以每秒7000公里的速度運行。從S2的完整軌道與速度來計算,人馬座A星的質量相當於400萬個太陽,半徑卻只有太陽的17倍。這樣極端的密度指向了一種可能性,那就是超大質量黑洞。

因此,早在1990到2000年代,「銀河系中心有個超大質量黑洞」就成了整個天文界乃至全世界都有的共識。

至於超大質量黑洞是怎麼來的,目前還是個謎。

一般認為黑洞是恆星死亡後的產物,但根據觀測,這些超大質量黑洞在宇宙大爆炸後的7億年就存在了。矛盾的是,那時的宇宙可以說是處在幼兒階段,重力還在吸引星雲聚集,成形的恆星屈指可數,完全無法解釋為何會有恆星死亡變成黑洞。這也成了世界各地的天文學家爭相研究的謎團。

環繞人馬座 A 星公轉的恆星 S2 的完整軌跡觀測結果。(圖/2020 諾貝爾物理學奬官網

人馬座A星照片首度曝光

2022年5月12日,事件視界望遠鏡(EHT)公布了人馬座A星的影像,我們該如何解讀這個最新的黑洞寫真?

由於黑洞本身不發光,我們要觀測的是黑洞周圍的光線被吃掉的範圍,也就是黑洞中央黑色區域的大小。不過,黑洞本身的尺寸其實比中心那塊陰影區域更小。

首先,「黑洞本身的尺寸」正確來說是「事件視界」的大小。事件視界的半徑即為「史瓦西半徑(Schwarzschild radius)」,只要知道黑洞質量就能推算出來,像人馬座A星的史瓦西半徑是1200萬公里。

解密銀河系中心的神祕天體:超大質量黑洞「人馬座 A 星」。(圖/EHT Collaboration)

當光行經事件視界外圍,也會沿著因重力而扭曲的空間彎折,最終被吸進黑洞,成了我們看不見的那塊圓形陰影,而「黑洞吃掉的影像範圍」(或稱為「陰影」)指的就是除了事件視界本身以外,還有多少範圍是全然的黑暗。

根據廣義相對論,「陰影」的半徑是史瓦西半徑的2.6倍。

包傑夫(Geoffrey Bower)是中研院天文所的資深天文學家,同時也是EHT計畫的成員。他在記者會上表示,「這次公布的影像捕捉到被強大的黑洞重力所扭曲的光線,而亮環大小也吻合愛因斯坦的廣義相對論」。

陰影的半徑是史瓦西半徑的2.6倍。(圖/Veritasium)

EHT如何捕捉黑洞影像?

天文影像的解析度將整個天空分成180度,每度有60角分,每角分有60角秒,每角秒分成1000毫角秒,每毫角秒再分成1000微角秒。以黑洞成像而言,人馬座A星與M87黑洞的陰影尺寸,分別是50微角秒和42微角秒。

因此,從地球觀測這兩個黑洞的難度相當高,可以想像成從地球看月球上的一顆橘子,需要直徑非常大,甚至等同地球直徑大小的望遠鏡才能辦到。為了達成此需求,EHT使用特長基線干涉(VLBI)這項技術。

簡單來說,就是透過結合2座或多座無線電望遠鏡的觀測資料,重組出宛如單一望遠鏡的觀測結果。望遠鏡彼此之間的距離越大,組合出的解析度越好。根據中研院天文所郭駿毅博士的形容,EHT的解析度銳利到足以從台北看見東京的一粒沙。

EHT(綠線)與 GMVA(黃線)之望遠鏡陣列分布。(圖/維基百科

那為何不是先拍到距離我們比較近的人馬座A星,而是先公布M87的影像?其實,在2017年時,EHT就同時觀測M87星系和銀河系中心的超大質量黑洞。人馬座A星雖然離地球較近,約27,000光年,但質量較小,難以觀測。

美國斯圖爾德天文台(Steward Observatory)的EHT科學家陳志均解釋,黑洞附近的氣體移動速度接近光速,加上人馬座A星比M87黑洞小2,000倍,周圍的軌道也更小,其造成的氣體擾動導致影像變化速度過快,「就像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」,必須使用更複雜的成像技術,才能取得足夠清晰的照片。

也因為這樣的速度差異,這次銀河系中心黑洞的照片才會跟M87長得不一樣,形成有3個亮點的圖片。不過,這些明暗差異並不是都卜勒效應造成的。師大物理系助理教授卜宏毅表示,只要拍攝物體移動過快,就會留下殘影。然而,這並不影響我們解析黑洞半徑。

這次並沒有明確觀測到噴流。科學家對於銀河系中心黑洞是否存在噴流,目前仍有待商榷。

特長基線干涉技術支援科學家黃智威指出,這次的黑洞圖像也替未來的黑洞觀測打下良好的基礎。目前,學界將「超大質量」定義為100萬倍到10億倍太陽質量的數量級,估計M87約為35至66億太陽質量,而這次的銀河系黑洞為400萬太陽質量。

也就是說,目前觀測到唯二有清晰影像的黑洞,正好就是超大質量黑洞的最小值與最大值,而這兩張影像所呈現的特徵有許多相似之處,比如皆具有黑洞剪影及光環。如果連極端值都具有這些特徵,那麼理論上,其他大小的黑洞也都會有。

另外,黑洞也扮演著孕育恆星的重要角色。只要能夠深入了解黑洞的結構,想必也能更加深刻地了解銀河系的歷史。

天文所紀柏特(Britton Jeter)博士將拍攝人馬座A星的過程描述為「將一部電影濃縮成為一張影像」。這整個過程費時5年,有賴美國、加拿大、歐洲及台灣的努力,利用世界各地的超級電腦運算龐大的觀測資料,再經由多次模擬、調校,才得以成像,讓我們能夠親眼看到這個「潛伏在銀河系中心的巨獸」。

台灣在黑洞計畫中扮演的角色

這次公布的黑洞影像,由全球各地8座望遠鏡共同完成,其中有3座和台灣淵源匪淺,分別是由中研院參與建造或負責運轉的「次毫米波陣列(SMA)」、「馬克斯威次毫米波望遠鏡(JCMT)」,以及「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)」。

從 2017 年黑洞計畫啟動以來,中研院天文所就參與其中,合作夥伴包括國立中山大學、國立台灣師範大學、國家中山科學研究院。從觀測、分析數據到成像,尤其在疫情之下,能夠持續投入,並且有如此卓越的成果,實屬不易。

未來展望

目前,EHT團隊正在分析2018與2021年的觀測資料。除了上表8座天文望遠鏡以外,這些觀測活動還有格陵蘭望遠鏡(Greenland Telescope)與另外2個望遠鏡參與,想必可以讓我們更清楚地看到M87和人馬座A星的黑洞影像。未來,團隊也期許能夠透過更高頻率的觀測,一窺更小的黑洞。

(本文由《泛科學》授權轉載,公視新聞網編輯刊登;作者觀點,不代表本站立場)

人類史上第二張黑洞照片,為位於銀河系中心超大質量的人馬座A星。(圖 / EHT Collaboration)

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