人类史上首张黑洞照片 背后是比地球还大的望远镜

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2019-04-11 09:29:11

2019年4月10日,“事件视界望远镜(Event Horizo​​n Telescope,EHT)”国际合作计画举行全球同步记者会,公布人类史上第一张超大质量黑洞及黑洞阴影的视觉影像,标志着人类文明的另一个里程碑。

在一个世代以前,这样子的创举还被认为是不可能的,物理上不可能。要用传统的方式观测到黑洞,需要建造一部比地球直径还大的望远镜,才能提供足够的解析度,但这在理论上当然是不可行的。

一个问题是:黑洞本身是不可见的。黑洞的质量极大而体积极小,拥有极强的万有引力,甚至能把光线吸入进去;因此黑洞并不发光也不会反射光线,在物理上若没有光线自然就看不见了。

不过,黑洞的引力毕竟不是无限的,在距离远处将会出现让光线可以摆脱黑洞吸力的界限,也就是“事件视界”。根据爱因斯坦的广义相对论,事件视界的周围将会环绕着受到引力牵扯而加热到极限的物质喷流,其亮度能照出“事件视界”的阴影,科学家便可以透过观测其阴影来确认黑洞的存在。

另一个问题是所谓“距离的暴力”:这次公布的照片属于M87星系(室女A星系)的中心黑洞,距离地球5,500万光年,亦即彼处发出的光要在宇宙中前进5,500万年才能抵达地球,而太阳光只要7.5分钟就能抵达地球了。从如此遥远的距离之下观测,即使是巨大如星系也不过是夜空中的一个点,何况是星系中心黑洞的“事件视界”。

比喻来说,从地球要观测M87星系中心黑洞的“事件视界”,难度大约相等于从地球观测月球上的一颗高尔夫球、又或是从法国巴黎阅读美国纽约的报纸、或是从台湾最南端的垦丁海滩指出台北101高楼塔顶上的一根针。

台湾中研院于当地时间4月10日晚间解说EHT计划的虚拟望远镜原理(图源:台湾中研院天文所)

为了解决这点,EHT将散落在全球各地的8座高科技望远镜相连,透过同步观测与共享资讯,并藉由地球自转的移动量,最终创造出一座有如地球大小的虚拟望远镜,于2017年4月对准M87星系中心黑洞进行连续数日的拍摄。

由8座望远镜透过“惰性氢微波激射器原子钟”来实现同步观测资料,其误差达到每300万年1秒;而8座望远镜所收集到的总资料更高达每日350TB,这些资料被统一送至德国马克斯普朗克天文研究所(Max-Planck-Institut für Astronomie,MPIA)与美国麻省理工学院海斯塔克天文台(Haystack Observatory),利用特制化的超级电脑“相关器”来进行分析合成,最后再由EHT团队成员以自行开发的创新计算工具来进行“冲洗”并成像。

台湾中研院院长廖俊智曾以人眼成像原理来解释,人类的两颗眼睛都在头颅前方,两眼得到的资讯在大脑进行分析就能得到立体影像,而能看见的距离限制则是取决于双眼的间距大小,而不是眼睛的大小。换句话说,若将望远镜比作眼睛,只要有两座望远镜分别位于地球的两端,就能将两边的资讯合成出相当于地球大小的望远镜能收集到的影像。

这只是粗糙的类比,但2017年拍摄时EHT计划共有8座望远镜,数量足够弥补个别望远镜资讯上的不足。事实上,于2018年新加入格陵兰望远镜后,EHT虚拟望远镜的“镜面”大小已达到9,000公里,超过了地球半径的6,371公里;目前格陵兰望远镜位于海平面的空军基地,若在未来能移到格陵兰峰顶,就能排除掉水气与大气的干扰,甚至能将2017年时的EHT解析度提升10倍以上。

2019年的黑洞照片公布,距离1919年的日全食观测探险队,刚好100年。当时有两支探险队为了验证爱因斯坦的相对论,分别在日全食当天抵达非洲和南美洲的丛林钟,观测星光在太阳边缘弯折的现象。如今相对论再次被验证为真,而原本认为不可能实现的黑洞成像摄影,能够透过创新的方式以及科技的进步,以小得多的成本来做到同样的成果,可以说是对人类理性的最大赞美了。

目前在EHT计画内的望远镜有13座:阿塔卡玛大型毫米及亚毫米波阵列望远镜(ALMA)、阿塔卡马探路者实验(APEX)、IRAM 30米望远镜、IRAM NOEMA天文台、詹姆士克拉克麦克斯威尔望远镜(JCMT)、大型毫米波望远镜(LMT)、亚毫米波阵列望远镜(SMA) 、赫兹望远镜(SMT)、南极望远镜(SPT)、基特峰望远镜(KPNO)、格陵兰望远镜(GLT)。

EHT计划联盟主要由以下机构组成:中国科学院上海天文台、美国亚利桑那大学、美国芝加哥大学、东亚天文台、德国法兰克福歌德大学、欧洲电波天文毫米波研究所、墨西哥大型毫米望远镜、德国马克斯普朗克电波天文研究所、美国麻省理工学院海斯塔克天文台、日本国立天文台、加拿大圆周理论物理研究所、荷兰拉堡德大学、美国史密松天文台,以及台湾中央研究院天文及天文物理研究所等。

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撰写:袁愷勳

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