投書:發現黑洞對我們的意義

鄧鴻源  2019年04月15日 00:00:00

中研院將在晚間8時30分與比利時、日本、中國、美國、智利6國同步舉行觀測黑洞計畫「事件視界望遠鏡」(EHT)記者會。(National Science Foundation提供)

人類史上第一張黑洞照片曝光,台灣、比利時、日本、中國、美國、智利6國將同步舉行觀測黑洞計畫「事件視界望遠鏡」(EHT)記者會,其中台灣改裝架設的地表最強望遠鏡「格陵蘭望遠鏡」從去年加入計畫,不但是北極圈內第一個次毫米波天文觀測站,還能抵抗零下71度的低溫。

 

中央研究院天文及天文物理研究所花費7年時間,從2011年起,與哈佛大學「哈佛—史密松天文物理中心」天文團隊合作架設格陵蘭望遠鏡,去年4月台灣正式加入「事件視界望遠鏡」(EHT)全球陣列觀測計畫,透過世界各地眾多電波望遠鏡連線,達成地表最強影像解析能力,以觀測星系中的超大質量黑洞。

 

1915年,愛因斯坦發表廣義相對論,認為萬有引力不是力,而是時空的扭曲,時空的扭曲是因為天體質量所引起,質量越大的天體,其周圍時空扭曲的越厲害。恆星的質量通常大於其周圍的行星千萬倍,前者對其周圍時空產生扭曲,讓後者不得不讓著它旋轉;或者說,恆星在其周圍建立重力場,行星透過此重力場,而與恆星形成「你儂我儂」的夥伴關係。黑洞是質量至少比我們太陽五倍以上的恆星,其內部燃料消耗完後的殘骸,因為內部氣體向外壓力無法再支撐重力的壓縮,而讓自己體積塌縮千萬倍,而根據牛頓的重力理論,天體重力與其半徑平方成反比,與其質量成正比,所以體積塌縮千萬倍而質量沒有多少改變的天體,其產生的重力場必然比原先大上千萬倍,這正是黑洞的由來。

 

眾所周知,黑洞是巨型恆星內部燃料經由核融合消耗完後的結局,比我們的太陽或地球引力高出幾千萬倍,可以輕易吞噬在其引力周圍的恆星或行星,可說是宇宙中的「大黑鯊」,即使通常體積不大,仍然具有超強引力,何況是超大質量黑洞?一般科學家相信,我們太陽系所在的銀河系中央,很可能就隱藏一個超大質量黑洞,讓其周圍上千億顆恆星如眾星拱月繞著它旋轉。

 

據估計,我們太陽系離銀河系中央約3.5萬光年,我們太陽系繞銀河系一圈約需要兩億五千萬地球年,相當於從恐龍出現在地球至今的時間,太陽系才能繞完銀河系一圈!1光年是距離的單位,是光以光速飛行一年所走過的直線距離,光速每秒約三十萬公里,一年中所走的距離約9.5兆公里,相當於我們太陽系的直徑。此次所拍攝黑洞的位置距離我們約5400萬光年,換言之,我們看到的是它5400萬年前的影像!而太陽距離我們約1.5億公里,我們所看到的太陽只不過是它8.5分鐘前的影像。

 

其實五年前,史上第一次黑洞吞噬恆星的完整過程,已經被天文學家觀測到了!當時美國約翰霍普金斯大學研究員表示,有顆編號為ASAS-SN-14l的不幸的恆星,僅距離地球約3億光年,因此才能在它被附近黑洞摧毀的第一時間迅速發現,並完整觀測吞噬及隨後以近乎光速將離子噴流而出的過程。在此之前,天文界一直努力尋找黑洞吞噬後發射噴流的證據,但過去被吞噬的恆星們都距離地球9億光年以上,發現時總是慢了一步。

 

這項研究成果的功臣是年僅29歲的電腦科學家布曼,她所開發的演算法讓黑洞照片成為可能。布曼2017年在麻省理工學院取得電子工程和電腦科學博士學位,2017年至2019年在哈佛史密森尼天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)擔任博士後研究人員,目前是加州理工學院(Caltech)電腦與數學科學系助理教授。根據麻省理工學院電腦科學與人工智慧實驗室(MITCSAIL)網站,布曼(Katie Bouman)在自述中說,她的主要研究目標是「運用新興電腦方法,拓展跨學科成像的可能性」。

 

平心而論,從事天文研究是一件很孤獨的事,常常需要到人家罕至的地區操作望遠鏡以觀測天文景象,不過卻是人類心靈最偉大的探險,它讓我們發現宇宙的浩瀚與美麗,引導我們深思上帝存在的可能性,了解我們從何而來?將往何處去?讓人類感到自身的渺小與造物主的偉大,從而讓我們知道如何活在當下,把握今生,視個人能力大小,為社會、國家與世界做出貢獻,至少能養活自己,而非自私自利、巧取豪奪、自己好就好,或渾渾噩噩,如同行屍走肉般過一生,與草木同朽。

 

誠如愛因斯坦在其《我心目中的世界》一文中說,人類所能擁有最美麗的經驗是大自然的神秘與奧妙,這是真正藝術與科學起源的根本感情,凡是不識神秘,不懂奧妙,不對宇宙感到好奇與驚嘆者,眼神將黯淡無光,彷彿行屍走肉般。正是這種神秘的經驗(縱使往往摻雜些許恐懼),才會產生宗教,衍生出真正的信仰。在這層意義上,而且唯有在這層意義上,我算是有虔誠信仰之人。這番話實在說得太棒了,值得所有年輕學子見賢思齊。

 

發現黑洞,對我們的意義,也是如此。何況在研究天文學的過程中,許多新科技也紛紛發明,如影像感應技術,智慧手機與數位相機等。

 

※作者為台大物理博士   文化大學教授

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