【看見黑洞】站在愛因斯坦肩上 全球8座電波望遠鏡陣列揭宇宙深淵 

吳洛瑩 2019年04月11日 13:01:00

8座散落全球的電波望遠鏡陣列組成「事件視界望遠鏡(EHT)」,公開人類史上首張「直接觀測」黑洞的影像。(湯森路透)

2019年4月10日,人類史上首次窺見天文黑洞的樣貌。

 

位於「M87」星系與地球相距5,500萬光年、直徑400億公里、質量為太陽65億倍的宇宙之謎,透過8座散落全球的電波望遠鏡陣列組成「事件視界望遠鏡(EHT)」傳到世人眼前。這證實愛因斯坦曾預言的黑洞陰影確實存在,也被視為是廣義相對論最終的科學驗證。

 

 

《英國廣播公司》(BBC)報導。提出拍攝黑洞實驗的荷蘭奈梅亨大學(Radboud University Nijmegen)法爾克博士(Dr. Heino Falcke)說:「我們看到的東西比整個太陽系的大小還大,質量為太陽的65億倍,是我們認為現存最重的黑洞之一,這絕對是一個怪物,是宇宙黑洞的重量級冠軍。」

 

一張照片,向人類揭開了黑洞的面紗。

 

 

黑洞,「宇宙的深淵」

 

所謂「黑洞」,指的是一個重力極強的時空區域,任何東西、甚至連光線都無法逃脫。雖然被稱之為「洞」,但並非中空狀態,而是由大量的物質密集堆積在一個小區域之內,形成一股接近無限大的引力 。

 

而在黑洞外圍,有一個名為「事件視界」(event horizon)的區域,就像是一個「不歸路」(point of no return),一旦越過了這個界線的物質就不可能逃離黑洞引力作用的臨界點。

 

然而從愛因斯坦的廣義相對論,到已逝英國科學家霍金結合量子力學與廣義相對論,提出物理資訊可能永久消失於黑洞中的「黑洞信息悖論(black hole information paradox)」,站在巨人們的肩膀上,看這些突破性的理論迎來獲得證實的一天,是許多科學家走了10多年才找到的路。

 

 

黑洞完全不反射光線 照片是「陰影成像」

 

舉例來說,黑洞這個神秘深淵既然是完全不反射光線的黑體,就無法直接被拍攝,因此中央研究院表示,拍攝到的是「黑洞的陰影成像」,而非傳統攝影影像,是藉由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。

 

根據影像,法爾克博士描述黑洞是一個完美的圓形暗洞,由一圈強烈明亮的火圈環繞,那是由過熱的氣體落入洞中所形成的光圈,比起銀河系中其他數10億的恆星亮度還亮,這也是為何黑洞距離地球如此之遠,人類卻可以透過望眼鏡觀測。

 

 

「黑洞周圍射線」 激發科學家拍攝黑洞

 

《BBC》報導,拍攝黑洞,是法爾克教授1993年還在就讀博士時就有的想法,當時這被視為是一件「不可能的任務」。但是他首先想到,黑洞周圍會產生某種強大的射線,程度足以被地球上的望遠鏡觀測,再加上他想起自己1973年時曾讀過一篇科學論文,文中指出由於黑洞巨大無比的引力,會導致黑洞看上去比實際上還大了2.5倍。

 

正是這兩個因素,讓拍攝黑洞這件難如登天之事成為可能。法爾克為自己的計劃辯護了20年後,最後終於取得研究資金高達逾4000萬英鎊。這筆投資的價值就是成就人類史上首次見證了黑洞面貌,完成掀起黑洞面紗的首部曲。他說:「這是一段漫長的旅程,但我想親眼看到,這(黑洞)是真的嗎?」

 

 

散佈沙漠、山區和極地 「像地球一樣大」的望遠鏡

 

然而,完成任務的難題重重,其中之一是地球上沒有一台望遠鏡能拍攝黑洞。在多種同類型的實驗中,哈佛大學史密松天體物理中心(Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics)的多爾曼(Sheperd Doeleman)教授主持,建立一個由全球8座電波望遠鏡、共組一個「像地球一樣大」的超大型「事件視界望遠鏡(EHT)」的計畫。

 

這8座望遠鏡分別被放置於截然不同的地理環境中,散佈於夏威夷和墨西哥的火山、美國亞利桑納州和內華達的山地之間,以及智利的阿塔卡馬沙漠和南極洲。透過全球200名科學家共同參與,其中包括台灣天文物理學家團隊,蒐集從各地望遠鏡從「M87」星系中獲得的數據。

 

 

但因為數據十分龐大,無法藉由網路傳送而串聯,而必須將資料儲存於上百個驅動硬碟中,再把分布各地的硬碟送往美國波士頓和德國波恩的中央處理中心匯集處理。多爾曼教授表示,這代表了人類打開了一個觀測黑洞的全新窗口。

 

他說:「我們達成了一個上一個世代認為不可能的事。」

 

 

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關鍵字: 黑洞 愛因斯坦 霍金
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