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揭開人類首張黑洞影像!科博館館長孫維新解釋地球如何化作超大望遠鏡讓黑洞現形

由橫跨世界12國、共34組科學家的研究團隊,成立的「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)計畫,發布人類史上首張黑洞影像,圖為位於M87星系中心的黑洞。台灣中研院和哈佛大學團隊於2017年共同架設的格陵蘭望遠鏡,在其中扮演了重要的角色。

NASA科學家最近製作新黑洞外觀高分辨率動態圖,以模擬圖呈現黑洞樣貌。

在今年春天發布史上首張黑洞影像之前,人類都無法真正窺見黑洞樣貌。此為超大質量黑洞模擬圖。

位於智利北部阿塔卡瑪沙漠的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列,是由電波望遠鏡構成的天文干涉儀。

圍繞在黑洞周圍的光子路徑模擬圖。

一張全球同步揭曉的黑洞照片,讓人們對想像中的宇宙萬物有了更真實的理解。這回不再只是以管窺天,而是串聯了全球地表上分布各處的電波天線,將整個地球化作一座超大望遠鏡,以純粹的好奇,迎向無垠的宇宙!

 

走進位於台中的國立自然科學博物館(後簡稱「科博館」)的館長辦公室,偌大的空間裡擺放著專業書籍、天文海報、甚至還有新鮮的棋盤腳果實,孫維新館長隨手拿起茶几上的一支筆,輕輕將筆尖對正它的台架,這支筆瞬間穩穩地騰空浮起,孫維新語帶幽默地說: 「光是一個筆架,就能展現很多有趣的自然現象!下方的磁鐵產生的磁場,就是個無形的斥力讓它懸空浮著。」

 

磁力筆架,這一個小小物件,展示出存在宇宙萬物間隱而不顯,卻又無所不在的物理現象。「天文是物理的一部分,物理很廣闊, 有高能物理、凝態物理、天文物理等很多不同的學門,想研究天文都需要念物理。」身為天文學家的孫維新如此說明天文及物理之間的關聯。

 

他接著話鋒一轉,「但是當天文學家說到所謂的『天、物、人』,其中所稱的『天』, 包括我們對宇宙、星系、銀河、太陽的認識,也就是天文知識;而『人』指的是科學家,『人』透過創意思考發展出各種科技手段,像是望遠鏡、光譜儀、太空船、衛星, 然後通過這些『物』來了解『天』。」

 

而今年春天,史上第一張超大質量黑洞影像首度公布,震撼全球,可以說是人類科學發展史上的重要里程碑。這張歷時多年終於捕捉到的黑洞影像,就是來自全球參與「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)計畫的8座望遠鏡的觀測結果。

 

要讓黑洞現形 如在萬盞燈泡之間看見黑色小乒乓球

依據質量大小和形成方式來分類,黑洞有好幾種,這次觀測的黑洞是屬於位在星系中心有巨大質量的那一類。在我們的銀河中心,也有一顆400萬個太陽質量的黑洞, 根據館長解說,它不算大;而這次相片中的黑洞,則是位在M87星系中央,擁有65億個太陽質量的巨大黑洞。但即使它有這麼大的質量,它所佔的範圍還是很小,而我們印象中黑洞會吞噬周邊所有東西,包括光在內,那麼到底科學家想嘗試看到的是什麼呢?

 

「科學家認為黑洞在吞噬它周邊的物質,而這些物質在掉進黑洞的過程中,會形成一個巨大但圓圓扁扁的『吸積盤』,這個盤子越接近黑洞的部分就越亮,會形成一個很強的背景光源,可以襯托出中央的黑洞來,所以科學家希望藉著明亮的吸積盤作為背景,看到中心的黑洞。」孫維新進一步解釋。


想要看到黑洞一點都不容易,黑洞和吸積盤的對比,就像是一顆黑色的小乒乓球,周邊環繞著一個鑲滿一萬個100瓦電燈泡的巨大盤子,「當這些燈全亮,你覺我們能看到中間那小小的黑球嗎?」孫維新問道。答案是,很難!我們只能看到周遭的那一片光亮,「除非我們有非常高解析率的望遠鏡,才可以直接看到核心的影像,這就是為什麼科學家從小型電波望鏡一路發展,發展到單一天線的大望遠鏡還不行,再發展出干涉儀的技術,整合世界各地的電波望遠鏡,成為以整個地球為直徑的干涉儀,才能看得到黑洞這個小東西!」。

 

史上第一張黑洞照片太糊?NASA釋出黑洞外觀模擬動態圖

今年4月,「事件視界望遠鏡」(EHT)團隊曝光人類史上首張黑洞照,驗證愛因斯坦的廣義相對論,也開闊外界對黑洞的無限想像,不過模糊照卻也讓大家心想「就這樣?」。對此,美國太空總署(NASA)近日發布「黑洞引力扭曲周圍的光線」模擬動態影片,讓大眾更了解「重力扭曲時空結構」的黑洞輪廓。

 

影像中,正中間的洞即為事件視界(Event Horizon),外圍像水流一樣環繞著黑洞的光環,就是被重力吸引過去的物質(吸積盤)摩擦發出的輻射,其中氣體在最靠近黑洞的內環以接近光速的速度旋轉,外環氣體旋轉較慢。

 

 

孫維新

美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)天文學博士,隨即進入美國航太總署(NASA)工作,現任台灣大學物理系及天文所教授。於2015年獲得天文學會頒發科學教育最高榮譽的「譚天獎」,並獲得國際上小行星185364號命名的殊榮。自2011年起,擔任國立自然科學博物館館長,該館於2013年獲美國博物館專業年報評選為全世界前20大博物館的第18名。

 

文 方敘潔

圖片提供 各單位

(完整內容請見《LaVie》2019年9月號)

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位於智利北部阿塔卡瑪沙漠的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列,是由電波望遠鏡構成的天文干涉儀。

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圍繞在黑洞周圍的光子路徑模擬圖。

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