【專訪】天文所賀曾樸院士:為什麼拍到銀河系中心黑洞很重要?黑洞和人類生活有什麼關係?

【專訪】天文所賀曾樸院士:為什麼拍到銀河系中心黑洞很重要?黑洞和人類生活有什麼關係?
Photo Credit: 研之有物

我們想讓你知道的是

黑洞和我們日常生活有關嗎?為什麼看見黑洞這麼重要?科學家又是如何找到這顆黑洞呢?中央研究院「研之有物」專訪院內天文及天文物理研究所通信研究員賀曾樸院士,請他解答我們對於黑洞的各種好奇!

採訪撰文:簡克志
美術設計:蔡宛潔

用有限資源完成不可能任務

2022年5月12日是個大日子,這天人類終於獲得了第二顆黑洞的觀測影像!這顆黑洞稱為人馬座A星(Sagittarius A*,Sgr A*),它就位於我們銀河系家園的中心。為了成功拍到Sgr A* ,天文學家必須克服重重困難,包含黑洞周圍的環繞物質變動太快,或是宇宙塵埃與星雲的雜訊干擾等。

不過,黑洞和我們日常生活有關嗎?為什麼看見黑洞這麼重要?科學家又是如何找到這顆黑洞呢?中央研究院「研之有物」專訪院內天文及天文物理研究所通信研究員賀曾樸院士,請他解答我們對於黑洞的各種好奇。

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Photo Credit: 研之有物
中研院天文所通信研究員賀曾樸院士,曾擔任中研院天文所所長10年,至今仍持續推動天文學進展,積極提攜後進。

深空仰望銀河系中心

天文學家很早就開始有系統地觀察銀河系中心的電波訊號。在1933年Karl Jansky透過他架設的天線裝置,首次記錄到位於人馬座的銀河系中心有20 MHz的未知電波發射源。因此,後續的電波天文學研究,對於銀河系中心一直很感興趣,並且把這個電波源稱為人馬座A星(Sagittarius A*,Sgr A*)。

賀院士在訪談中提到,中研院天文所的前籌備處主任(所長)魯國鏞院士,在1985年讀博士時,對銀河系中心電波源做了最早的干涉儀測量,當時魯院士推測這個來源可能是個大質量黑洞。

接著1992年開始,兩位天文學家Andrea Ghez和Reinhard Genzel,利用先進干涉儀器觀測銀河系中心周圍的恆星運動長達20多年,他們發現這些恆星的橢圓軌道似乎都圍繞著一個共同的焦點(如下圖)。

試問宇宙中有「誰」重力這麼大、空間範圍卻又這麼小呢?超大質量黑洞是最合理的解釋。這也讓Ghez和Genzel獲得2020年諾貝爾物理獎的榮耀,原因是「發現銀河系中心是一個超大質量的緻密天體」;另一位得獎主是Roger Penrose,原因是「證明廣義相對論能夠可靠地預測黑洞的形成」。

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資料來源:UCLA Galactic Center Group
天文學家Andrea Ghez和Reinhard Genzel,利用先進干涉儀器觀測銀河系中心的恆星運動長達20多年,他們發現這些恆星的橢圓軌道都圍繞著一個共同的焦點,超大質量黑洞是最合理的解釋。

至此,科學家已經得知銀河系中心黑洞可能存在,接下來就需要找到黑洞存在的直接證據:看見黑洞。

事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)聯盟於2017年創立,串連全世界研究人員一同構建出足以觀測黑洞的電波望遠鏡陣列,同年(2017)完成兩個超大質量黑洞的初步觀測——銀河系中心黑洞Sgr A*與M87星系中心黑洞,當時有八座電波望遠鏡一同貢獻解析力,中研院就參與了三座望遠鏡(SMA、JCMT、ALMA)的研發、建造與運作。

2019年4月10日,人類獲得了史上第一張黑洞的照片!首次看見M87星系中心的超大質量黑洞,有明確的中心陰影和周圍明亮的環狀結構。

2022年5月12日,我們終於揭開銀河系中心黑洞的秘密,獲得人馬座A星的直接影像證據,這是離我們最近的黑洞,也是目前唯二能夠觀測到的黑洞!

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資料來源:EHT
銀河系中心的黑洞影像,又稱為人馬座A星(Sgr A*)。

銀河系家園的「小」巨獸:人馬座A星

人馬座A星(Sgr A*)就像一隻「小」巨獸,說它巨,是因為Sgr A*的陰影直徑為太陽的43倍,質量高達太陽的 400萬倍,這是住在地球的我們難以想像的。不過和M87黑洞一比,Sgr A*又顯得很「小」,因為M87黑洞陰影直徑為Sgr A*的2000倍,質量是Sgr A*的2000 倍!(如下圖)。

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資料來源:中研院天文所
人馬座A星(Sgr A*)和 M87黑洞的大小比較,M87黑洞直徑是Sgr A*的2000倍,質量也是Sgr A*的2000倍。

奇妙的是,如果從地球上觀測人馬座A星和M87黑洞,兩個黑洞看起來會差不多大!WHY?這是因為人馬座A星距離地球的距離,又比M87黑洞近了約2000 倍。從地球上看這兩個黑洞,剛好在天空形成一樣大的張角(註1)。

從圖片可以看到,人馬座A星和M87黑洞的結構很類似,周圍都有發光的環狀結構(吸積盤)、中心陰影也都很明顯。不過,要如何在地球上看見黑洞呢?

首先,不能用光學望遠鏡,必須使用電波望遠鏡看黑洞。電波和可見光的主要差別是波長,可見光的波長平均 0.5 微米左右,EHT的電波望遠鏡觀測波長則約1毫米,兩者大約相差2000倍。

賀院士強調,為了接收到遙遠星系的訊號,必須選擇不受塵埃影響的波長,電波的波長比灰塵要大得多,因此可以穿透塵埃,收到來自銀河系中心的訊號。反之,可見光很容易就會被塵埃擋住。

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資料來源:EHT、中研院天文所
為了接收到遙遠星系的訊號,必須選擇不受塵埃影響的波長,電波的波長比灰塵要大得多,因此可以穿透塵埃,收到來自銀河系中心的訊號。

不過,就算是銀河系中心,還是離我們很遠,要如何看得清楚?

賀院士說,波長和電波望遠鏡的「視力」(角解析度)有關,波長愈小、角解析度越好。因此波長也不能太大,否則會導致最終影像解析度不足,並影響天線精確度。

在技術和建置成本考量下,EHT選擇次毫米波波長(0.5 毫米~1 毫米),1 毫米是目前最適合的觀測波長,可輸出黑洞影像解析度3*3像素。

咦?圖片解析度只有3*3像素?其實電波望遠鏡的「視力」(角解析度)已經非常高。這次觀測到人馬座A星的陰影直徑張角約50微角秒,是天空張角一度的一億分之一,相當於從地球看月球上一塊甜甜圈的大小。未來,EHT觀測波長將使用0.5毫米(660 GHz)來獲得更高解析度,預計可達15*15像素。

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Photo Credit: 研之有物
未來在格陵蘭望遠鏡(GLT)和高頻觀測的技術支援下,黑洞照片解析度可望提升到15×15像素,圖片中為M87黑洞。

除了波長之外,電波望遠鏡口徑也是影響角解析度的因子,口徑越大、角解析度越好。但是我們不可能做出和地球一樣大的望遠鏡,為了讓地表有限的電波望遠鏡模擬出巨大望遠鏡的效果,必須使用特長基線干涉(Very-long-baseline interferometry, VLBI)技術,讓不可能化為可能。


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Photo Credit:台灣世界展望會

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Photo Credit:台灣世界展望會

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本文章內容由「台灣世界展望會」提供,經關鍵評論網媒體集團廣編企劃編審。


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