人類見證宇宙黑洞的一刻!台灣時間310日晚上97分曝光,全事件視界望遠鏡計畫召開全球連線記者會,發表人類史上第一張「黑洞剪影」照片,與地球一樣大的虛擬洲際望遠鏡拍下了位於 M87 星系中心的超大質量黑洞。你必須知道這次成就有兩大重要意義:第一,科學家首次以「直接證據」證明黑洞存在;第二,愛因斯坦繼續屹立不搖。

人類史上首張黑洞照片昨晚曝光,包含台灣在內六個國家同步直播。 圖/中研院提供

黑洞是全暗物體,基本上融入同樣全黑的宇宙背景,我們無法直接看見黑洞在哪兒,加上黑洞一旦形成就會開始吸取附近所有物質、光線、電磁波,因此尋找黑洞是一件相當困難的工作。

過去,天文學家尋找黑洞都是透過間接證據,比如發現圍繞著黑洞的吸積盤、黑洞噴出的相對論性噴流、重力波、恆星運動等去推測,儘管這些間接證據都很有力,但不是直接拍下黑洞,科學家心底總是會對未知事物存疑。

●黑洞結構宛如新月中央黑暗

各場發表會主持人包括中央研究院院長廖俊智、美國國家科學基金會主任France A. Córdova、歐盟研究科學創新執委會委員Carlos MoedasALMA天文台台長Sean Dougherty、歐南天文台台長 Xavier Barcons等。用中、英、日、西班牙等多國語言,向全世界宣布此一震撼人心的世紀大發現。當螢幕上秀出黑洞的照片時,全場響起熱烈掌聲。

中研院天文所主導的北極圈天文觀測站「格陵蘭望遠鏡」,去年四月正式加入「事件視界望遠鏡(EHT)」計畫的觀測。此計畫目標是透過全球各地眾多電波望遠鏡相連,形成高影像解析度的全球陣列,觀測星系中的超大質量黑洞,並進一步驗證愛因斯坦的廣義相對論。台北因此成為此次黑洞影像公布記者會全球六大直播城市之一。

而事件視界望遠鏡(EHT)計畫要做的工作,就是將分布在地球各地的電波望遠鏡以特長基線干涉技術連接起來,變成一台和地球一樣大的巨型虛擬望遠鏡,使儀器的角解析度精確到足以直接觀測黑洞事件視界(Event Horizon),應證愛因斯坦百年前的預測。

所謂事件視界就是黑洞整體的邊界,更是我們所能拍到最接近黑洞本身的圖像。310在美國華盛頓、台灣中研院、聖地牙哥、布魯塞爾、日本東京、中國上海等全球 6 場連線記者會,天文學家終於發表了第一張直接對黑洞成像的照片,一個位於M87星系中心的黑洞 M87星系黑洞與地球相距5500萬光年,質量為太陽的65億倍。

根據愛因斯坦廣義相對論的預測:黑洞乃宇宙高度壓縮的物體,它的存在會使周遭時空扭曲,並加熱周圍物質使該區域發光;有光就有影,當黑洞浸在這個明亮區域時,愛因斯坦便預測黑洞自身會在其中無所遁形,本體將出現在一圈亮光中間的黑暗區域,只是我們從來沒有見過,直到現在。

研究團隊花了一年多時間處理龐大觀測數據,將直接拍攝的圖像與套用廣義相對論的大量電腦模型圖像雙重比對(模型的參數值多到你我無法想像),最終確認兩者無出入,愛因斯坦的等效原理去年才在一個極端三星系統驗證無誤,現在對黑洞的預測又再次經過了考驗。

事件視界望遠鏡觀測波長為 1.3 公釐,角解析度達 20 微角秒,相當於你從巴黎路邊咖啡館讀出美國紐約的一份報紙,如此銳利的「眼睛」告訴我們:M87 星系中心的超大質量黑洞,直徑是太陽系 3 倍。

●格陵蘭望遠鏡台灣探索起點

在寒冷的北極格陵蘭冰原上,立著一座口徑12公尺的望遠鏡。這座格陵蘭望遠鏡看似孤獨,卻是台灣加入全球黑洞尖兵,探索宇宙奧秘的起點。

格陵蘭望遠鏡於格陵蘭空軍基地現況。 圖/中研院提供

格陵蘭望遠鏡於格陵蘭空軍基地現況。圖/中研院提供

中研院表示,格陵蘭望遠鏡是目前唯一一座位於北極圈內的次毫米波天文觀測站。其本身是一個口徑12公尺的電波天線望遠鏡。2011年,由美國國家科學基金會授予中研院天文及天文物理研究所,與哈佛大學「哈佛─史密松天文物理中心」聯合組成的天文團隊使用。兩年前在中研院天文所主導下,將望遠鏡重新改裝以適應酷寒環境,並搬遷到格陵蘭。

●陣列式望遠鏡能見月球上棒球

為什麼搬到格陵蘭?中研院表示,位在北極、杳無人蹤的格陵蘭冰原,因為大氣透明度高,是觀測宇宙的絕佳地點。此外,此一地點架設的格陵蘭望遠鏡,能與夏威夷的SMAJCMT、智利的ALMA及歐洲、南極等地的望遠鏡形成陣列,形成一個口徑接近地球直徑的陣列式望遠鏡。其影像解析能力比全世界最強的光學望遠鏡還高1000倍,相當於從地球上清楚的看到月球上的一顆棒球。

「事件視界望遠鏡」連線演習期間,工作團隊在格陵蘭空軍基地的格陵蘭望遠鏡控制室內合...

「事件視界望遠鏡」連線演習期間,工作團隊在格陵蘭空軍基地的格陵蘭望遠鏡控制室內合照。由左至右:陳明堂(天文所)、Nimesh Patel(史密松天文台)、劉冠宇(天文所/東亞天文台)、淺田圭一(天文所)及西岡宏朗(天文所)。圖/中研院提供

中研院天文所與台灣國家中山科學研究院攜手合作在格陵蘭組裝望遠鏡。前年12月第一次接收到來自太空的電波訊號,並在去年初與智利的ALMA同步觀測,從這兩個相距將近一萬公里的地點,觀測同樣天文目標,並成功獲得其間的干涉條紋;去年4月正式加入觀測黑洞的EHT計畫。

淺田圭一認為,此次結果證明台灣主導的格陵蘭望遠鏡,未來在測試廣義相對論時,將扮演不可或缺的角色。中研院天文所研究員陳明堂透露,正研究如何將此一望遠鏡移至格陵蘭峰頂,以及如何在峰頂建造望遠鏡基地。預期未來能以十倍優於現在成果的更佳解析度,獲取黑洞陰影的圖像

此次觀測計畫使用的 8 座電波望遠鏡(註),有 3 座是由台灣中研院支援運轉(SMAALMAJCMT),表明台灣對此次研究的重大貢獻,這次成果發表對科學的重要性有三點,第一:揭開活躍星系中心的超大質量黑洞神祕面紗;第二,探索極限條件下重力理論的新工具;第三,成為研究黑洞相關天文物理(比如電漿物理)的先鋒。

當然,這次發表只是天文物理學的另一個開端,由台灣主導的格陵蘭望遠鏡(GLT)已加入黑洞觀測計畫,在接下來的二期計畫,將把虛擬洲際望遠鏡的觀測波長從 1.3mm 縮短至 0.4~0.8mm,或說解析度再提升 10 倍,屆時,我們會看到更清晰的黑洞陰影。

註:參與觀測此次黑洞事件視界的 8 座電波望遠鏡為:阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA)、阿塔卡瑪探路者實驗(APEX)、IRAM 30 米望遠鏡(IRAM)、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡(JCMT)、大型毫米波望遠鏡(LMT)、次毫米波陣列望遠鏡(SMA)、南極望遠鏡(SPT)。

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