人類首次拍得黑洞照片 再證愛因斯坦廣義相對論

人類首次拍得黑洞照片 再證愛因斯坦廣義相對論
Image Credit: Event Horizon Telescope, CC BY 3.0

我們想讓你知道的是

雖然這照片與想像中的電影劇照有頗大出入,卻是愛因斯坦相對論的另一個明證。

黑洞帶給人類永恆的神秘感,它是時空的盡頭、連光也擺脫不了的「洞」。即使是理論物理學家,也難以用筆墨形容黑洞的模樣。要派太空人到黑洞附近去看看也不太可能,儘管航行者1號、2號花了近40年,才剛在不久前越過太陽系邊界,但黑洞都在太陽系以外非常遙遠的地方。

2017年,來自世界各地超過60個科研單位的天文學家聯結起位於地球各大洲的眾多個無線電望遠鏡,持續地觀察M87星系。這個名為事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)的無線電望遠鏡網絡,終於直接拍攝到了人類史上首張黑洞「照片」,並於2019年4月10日全球同步發表。

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Photo Credit: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO, CC BY 4.0
M87星系。

黑洞是什麼?

黑洞是愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論的方程式的一個數學解。愛因斯坦發現,在我們身處的宇宙中的任意點上,加速度與重力並不能被區分開來,是為「等效原理」。利用等效原理,加上光速不變假設,愛因斯坦推導出一組十式的方程組。廣義相對論取代了牛頓重力定律(或者可說是牛頓重力定律的更新版本),只要知道時空某處存在多少質量,就能夠利用那十條方程式描述時空的演化。

重力的特性是它只會互相吸引,不像電磁力那樣既能相吸亦能相斥。因此,質量越多,重力就越強;重力越強,就更輕易吸引更多物質。物質如果要擺脫更強的重力,就得付出更多能量。例如,在一顆小行星上,輕輕一跳可能就已足夠擺脫其重力;在地球上,卻必須利用火箭加速至最少每秒11.2公里,才能飛進宇宙空間。

早在愛因斯坦以前,物理學家就曾經想像過一顆質量非常強高的恆星,其重力強大到必須跑得比光更快才能逃逸。牛頓重力理論中沒有質量的東西不會被重力影響,而光線究竟有沒有質量在當年也是未解之謎,他們想像「如果」光線也會被重力「拉」回恆星表面的情況,就把這種想像中的恆星稱為「暗星」。

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Photo Credit: ESO, ESA / Hubble, M. Kornmesser / N. Bartmann, CC BY 4.0
畫家想像下的黑洞。

廣義相對論中的重力卻能影響一切事物。所有物質,哪管有沒有質量,全都會被重力吸引。天體物理學家發現,當一顆質量巨大的恆星耗盡核反應燃料時,抵抗自身重力的壓力就會在一瞬間消失,恆星會向內坍縮、反彈,引發超新星爆發。超新星爆發後剩下來的核心質量如果足夠高,就會變成一個逃逸速度比光速更高的區域。我們叫它做黑洞。

黑洞不會發光,而且大多數黑洞體積又不大、離地球又遠(幸好)。因此,望遠鏡必須造得夠大,才能收集更多光線和提高解析度。以人類的科技,要探測上述由恆星死亡超新星爆炸所創造出來的細小黑洞(尺寸大多比地球上的城市更小),仍然遙不可及。不過,宇宙間有些黑洞尺寸卻巨大得難以置信。天文學家發現,在每個星系的中心,都存在一個極其巨型的黑洞,質量達到幾百萬個太陽,稱為超大質量黑洞。天文學家認為這些星系中心的黑洞由遠古細小黑洞互相結合而成的,它們同時也影響著星系的演化過程。

星系M87(Messier 87)的中心也有一個超大質量黑洞。它距離太陽系約5千5百萬光年,半徑約為37光時。M87的質量是太陽的65億倍,從地球上觀察,它的事件視界(event horizon)只有大約16微角秒。從地球看,這等於月球上太空人的拳頭大小。事實上,今次EHT的天文學家拍攝的並非M87的事件視界,而是在事件視界外面約40微角秒大小的吸積盤(accretion disk),叫做「黑洞的影子」(black hole shadow),實際尺寸大概為冥王星軌道的2.7倍。

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Image courtesy of EHT; from Jean-Pierre Luminet, La Recherche, Vol. 533 (March 2018)
事件視界望遠鏡網絡。

事件視界望遠鏡是什麼?

根據簡單光學定律,望遠鏡越巨大、觀測使用的波長越短,解析度也越高。人類所造的地面望遠鏡之中,無線電望遠鏡建造相對容易,因此普遍來說都較可見光望遠鏡巨大。另一方面,無線電受大氣擾動干擾的影響亦較可見光為低。EHT使用的無線電波段為1.3毫米,經過計算,我們需要的望遠鏡尺寸是⋯⋯地球直徑(即大概13,000公里)!

然而,即使是地球上最巨型的無線電望遠鏡,例如美國的阿雷西博望遠鏡(Arecibo Telescope,直徑305米)、中國的500米口徑球面無線電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱FAST,直徑500米),以及俄羅斯的科學院無線電望遠鏡-600(Academy of Science Radio Telescope – 600,簡稱RATAN-600,直徑600米)等等,也遠遠不夠大。怎麼辦呢?總不能把整個地球改建成一支望遠鏡吧?

幸好,物理學家早就發展出一種技術,叫做甚長基線干涉測量法(Very-long-baseline Interferometry,簡稱VLBI)。VLBI技術利用光線的波動特性,把不同地點的光線訊號互相重疊,從而構成更光亮、解析度更高的影像。

世界各地都有很多無線電望遠鏡,因此天文學家組成了一個VLBI望遠鏡網絡,用來加強所拍攝的影像的光度和解析度。EHT就是這個VLBI網絡的一部分,專門拍攝M87。過去兩年間,EHT收集到了足夠的光線,利用干涉分析建構出一幅解析度達20微角秒、足以分辨出M87的黑洞影子的照片。2019年4月10號,我們終於能夠一窺黑洞的廬山真面目!

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Image Credit: Event Horizon Telescope, CC BY 3.0
EHT首張M87的無線電黑洞影子照片。

為什麼可以看得到不發光的黑洞?




引領台灣2030科技轉型兼容「創新、包容、永續」三大願景,新科國科會主委吳政忠:我們從被動解題到主動出題!

引領台灣2030科技轉型兼容「創新、包容、永續」三大願景,新科國科會主委吳政忠:我們從被動解題到主動出題!
Photo Credit:The News Lens Brand Studio

我們想讓你知道的是

近期國內政府組織的重要大事之一,就是科技部改制為「國家科學及技術委員會」(以下簡稱國科會)。這個過去主掌國家科技發展預算及科研方向的部會,為何要在這個時刻重新調整組織體質?以及國科會聚焦科技賦能「創新、包容、永續」議題,有哪些不同於以往科技部的實際作為?我們專訪國科會首任主任委員吳政忠了解背後脈絡,讓民眾更理解國科會的任務,透過科技轉型同時帶動社會、經濟、産業、環境等面向的嶄新出路。

科技部為何要改制為國科會?關鍵的決策考量之一,就是因為在科技管理過程,國家整體預算的限制,領導人必須找到最值得投資發展的科技方向。也是在此脈絡下,吳政忠提到他在2017、18年時候,他擔任政委與林萬億政委、唐鳳政委,共同邀集多個國內政策智庫、領域專家,並廣泛接觸社會各領域不同世代、拜訪國際專家,採取多軌意見徵集及討論交流機制,共同集思廣益之後,擘劃出「台灣2030願景」藍圖。

這項跨智庫的研究勾勒出台灣未來將面臨的具體挑戰,像是人口高齡化及少子化、資源循環利用、工作樣態劇變、地緣政治…等明確方向。針對相關趨勢,經過多次討論檢視,提出2030「創新、包容、永續」的願景。不過這些議題跟科技有關面向,交給過往的科技部執掌就好,為何需要國科會扮演統籌角色?

吳政忠解釋,在他心中,國家的科技政策,不只是科技本身,而是與社會、經濟、産業、環境等面向環環相扣。如果是過去的科技部角色,很難與其他部會落實橫向的有效串接,因此在這個國科會成立的時間點,不僅能有效配置政府的科技預算,同時還要整合其他跨部會成員,讓各自部會原本執行的任務能加以妥善融合,更有效率達成未來2030年的「創新、包容、永續」的願景。

另一方面,吳政忠也提到,當這幾年疫情肆虐全球,口罩國家隊、晶片半導體,讓台灣躍升為舉世矚目對象。我們該如何從立基於ICT產業代工、OEM的基礎,運用新科技輔導台灣蛻變為兼具創新、包容、永續的數位島嶼、智慧國家?透過本次專訪,深入洞察國科會在管理相關科技產業發展,會扮演哪些要角及達成哪些任務。

以科技為體、跨部整合為用,從代工心態蛻變創新思維

過去的成功方程式,可能成為日後成長的阻礙。針對2030年願景的「創新面」,吳政忠提到,過去台灣善於等待歐美品牌開規格,再透過技術、人才實力在代工階段取得立足之地。現在,台灣更應該走出一條自己的創新之路,因為過去OEM模式下的人才培育,造就我們只練習解題,但不會出題目,於是商業競爭只能搶到次要商機。

台灣要創新,就必須有系統化改革,例如過去我們都避免犯錯,這與創新是格格不入的,而政府組織如果只仰賴單一部會,缺乏整合是無法用國家層級進行科技轉型。吳政忠說道,「國科會的成立,就是扮演協商跨部會的關鍵角色,從上游研究、中游法人單位、到下游業界應用,跨產學研一棒接一幫串起來,引領創新之際也能做到科技管理。」

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Photo Credit:The News Lens Brand Studio
國科會主委吳政忠分享,國科會的主要任務就是做跨部會、上下游整合的工作。

要讓政策、計畫、再到管考,形成一個完善的Closed Loop(閉環),吳政忠以低軌衛星產業為例,他說,「幾年前聽聞SpaceX部署星鏈計畫,我們的太空中心從沒做過通訊衛星,我問如從零發展台灣自身低軌衛星要多久?答案是一、二十年!」

弔詭的是,這些衛星使用的關鍵零組件及晶片,就是由台灣生產。換言之,台灣擁有研發先進晶片的技術,更要從應用端創新找市場藍海。當時吳政忠擔任統合要角,集結太空中心、經濟部、工研院等單位,並且邀請民間企業加入,讓公私的資源整合得以敏捷組隊、快速試錯。

當時的遠見與行動,造就我們的「低軌衛星國家隊」成功打進國際供應鏈,更有望在2025年至2026年實現發射2顆自製的低軌通訊衛星。

走進尋常找問題、想答案,包容式普惠科技向大眾外溢

要想題目,政府組織可以從哪些地方找問題?吳政忠表示,「部會必須要跟地方、跟民眾多接觸,不要躲在辦公室裡面找題目;題目在哪裡?題目就在我們日常的生活,尤其價值最高的産品是越靠近身體,要知道人的需求在哪裡,『食醫住行育樂』處處是題目。」

吳政忠口中的食「醫」住行,「精準健康產業」正可以呼應2030願景的「包容」面向。讓醫療結合ICT科技優勢形成台灣未來百年大業。這兩大產業匯集的精準健康,不僅符合好題目的需求,讓普惠科技逐漸外溢到一般群眾甚至弱勢群體,減少城鄉醫療資源落差,用科技促成社會包容目標。

精準健康除了橫跨預防、治療診斷、照護等,同時基因、生理病徵大數據,這些資料運用怎麼合法合規,就不只涉及醫療院所、資通訊業者的責任,政府更需要擔負起守門人的職責。吳政忠不諱言,「幾十萬、百萬健康個資,如何避免資安竊取、妥善運用,這是國安問題,必須從管制角度完善規範。」

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Photo Credit:The News Lens Brand Studio
國科會主委吳政忠解釋改制後的國科會主委由政務委員兼任,可提升跨部門溝通效率。

至於該怎麼做?吳政忠解釋,改制後的國科會主委是由行政院的政務委員兼任,這項制度的設計,讓政委有權協調各部門,商請各部會首長乃至行政體系官員,更有效率進行跨部會討論複雜議題。

以精準健康為例,相關利益關係者涉及民眾、醫院、醫材商、資通訊廠商、以及主管機關衛福部。針對想推展的創新應用,可透過「沙盒」模式驗證,以「並聯」多方協作商討模式,打破過去單點「串聯」溝通,進一步針對法規缺漏之處快速補強,又不拖累應用落地進度。

民眾有感的永續科技,培養跨界視野的科學人才

至於科技政策如何讓民眾有感,同時又實現永續目標?吳政忠坦言,科技效益要讓大眾從日常生活體察到,難度非常高,目前國科會的著力點有兩大方向。其一是基於前瞻基礎建設計畫,建構民生公共物聯網,打造中央與地方縣市交流平台,針對水、空、地、災議題,找出可行的科技解決方案。

吳政忠提到,以前嘉南一帶需要人力查看灌溉水道和閘門,這類職務被稱為「掌水工」,隨著農業鄉鎮掌水工高齡化,以及環境變遷造成氣候的不穩定,政府協助導入智慧流量監測、電動水閘門科技,幫助掌水工熟悉科技使用,減輕勞務工作的負擔,增進工作的效率,同時也能有效運用水資源達到環境永續。

國科會推動科技永續的第二個面向,則透過各種科普推廣計畫,吸引更多新世代人才投入科研。吳政忠指出,2019年開始舉辦Kiss Science—科學開門,青春不悶活動,把103個科研場域向外開放,並舉辦多達360場活動,鼓勵莘莘學子用趣味方式愛上科技、研讀科學。

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Photo Credit:國科會
國科會Kiss Science活動。

不過吳政忠認為,「所謂科學,不應只侷限理工也包含人文社會,讀人文社會也要懂科技」。學者出身的他,過去主要研究領域擅長於應用力學,搭上近期台灣地震不斷,瞬間化身教書的吳教授,展現他豐富的跨領域學養,親切談著地震波當中縱波(P波)、橫波(S波)的差異,他提到,科學在生活中的用處,就是當了解其中的原理,就能在災害發生當下比別人多一份淡定。

當科技定義的邊界越來越模糊,科技不止是國科會的科技,科技應該是與社會、經濟、産業、環境等共同介接。未來國科會在創新、包容、永續還有哪些新施政?讓我們拭目以待。

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