人类史上首张黑洞照片公布 台湾中研院贡献多

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台湾“中央研究院”于当地时间4月10日晚间21时与美国华盛顿哥伦比亚特区现场连线,一同见证人类史上首张黑洞照片被公布于众。“中研院”的天文及天文物理所团队正是首次观测成像的四个团队之一,为此次的人类伟业贡献良多。

台“中研院”天文所参与“事件视界望远镜(Event Horizo​​n Telescope,EHT)”国际合作计划,这是由全球8座高科技电波望远镜所构成的虚拟阵列式望远镜,其强度相当于单独一座地球大小的望远镜,能提供前所未有的解析力,专门用于本次的黑洞观测。“中研院”支援运转其中3座,并参与建造了其中2座。

这次公布的照片为M87星系的中心黑洞,距离地球5,500万光年(light-year,光前进一年的距离,约9.46兆公里),质量估计为太阳的65亿倍。黑洞的质量极大,远大于其体积的数量级,因此其密度极高,并产生极大的引力,甚至能扭曲周遭时空,连光线都无法逃脱。

正因为如此,黑洞实际上不可见。本次观测的重点在于黑洞引力的边缘“事件视界(Event Horizon)”,理论上边缘之内将是纯粹的黑暗,而边缘之外的物质则被黑洞引力拉扯、扭曲而加热到极限并发光,根据爱因斯坦的广义相对论,应该能观察到被强光照出来的阴影,阴影之中便是“事件视界”。其阴影半径估计为450亿公里,是地球半径的7,063万倍,但“事件视界”本身则仅有阴影五分之二的180亿公里。

黑洞照片,正中央的阴影即为“事件视界”所在地,周遭为被黑洞引力弯折的光线喷流,颜色经过调校成像(图源:台湾“中研院”天文所)

事实上在过去100年内,天文学界根据天上星宿的运行,已经确定宇宙中有着许多看不见的大质量的存在,用其引力在影响周遭的所有星体。但是这仅仅只是间接的证据,始终无法直接证明那个根源就是黑洞,单纯就是因为“看不见”。尽管100年前的广义相对论早就预测到这宇宙中最极端的物体的存在。

这次拍下的照片与根据相对论而制作出的各种模型高度一致,证明了相对论的正确性,也证明了人类至今为止对于宇宙万物的观测基础并无错误,同时也发现了许多新事实。“中研院”天文所副研究员浅田圭一指出:“我们没预料到超大质量黑洞的质量和自旋竟随时间快速变化,……可能告诉我们,在极接近事件视界处,广义相对论的新特性。”浅田圭一表示未来广义相对论也将会不断被测试。

“中研院”院长廖俊智受访表示,这是人类前所未有的伟业,连许多普通民众都很关心,也希望能够趁此热潮让更多人对天文学产生兴趣,甚至进一步投入基础科学的研究。廖俊智表示,台湾总统府一向关心“中研院”的发展,因此也已和总统府报告过这次的成果。廖俊智也感谢台科技部对中研院预算的支持。

左起:天文所副所长王祥宇、台“中研院”院长廖俊智、天文所副研究员浅田圭一(多维记者:袁恺勋/摄)

黑洞观测计划于2009年开始启动,并于2017年成立EHT联盟,同年4月拍下照片,但直到2018年6月才成像,“中研院”天文所团队正是史上第一批亲眼见到黑洞照片的人类之一。不过当时所有资料仍然列为机密,直到经过包括天文所团队在内的全球四个团队,用三种方式来反复盲测,确保其万无一失之后,才于2019年4月10日公布于众;同日也发表六篇特刊论文在《天文物理期刊通讯(Astrophysical Journal Letters,ApJL)》上。

全球有200余位研究学者参与EHT计划,来自非洲、亚洲、欧洲、美洲,使用的八座望远镜分别为位于智利的阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列望远镜(ALMA)与阿塔卡玛探路者实验(APEX);位于西班牙的IRAM 30米望远镜(IRAM);位于美国夏威夷的麦克斯威尔望远镜(JCMT)与次毫米波阵列望远镜(SMA);位于墨西哥的大型毫米波望远镜(LMT);位于美国亚利桑纳的赫兹望远镜(SMT);以及南极望远镜(SPT)。

另外,自2018年开始观测M87星云中心黑洞的格陵兰望远镜(GLT),也迅速成为EMT计划中重要的一员,也为这次的黑洞照片提供了详尽的数据供团队参考运算。GLT最早由浅田圭一提议建造,天文所也实际参与了建造过程,目前团队正在研究如何把位于海平面的望远镜搬移到格陵兰峰顶,并建造望远镜基地,以取得更佳的观测环境-在峰顶取得的解析度可能高达十倍以上。

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撰写:袁愷勳

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