超過60個學術單位、200名科學家參與的EHT成果揭曉

誰說台灣很弱!中研院躋身全球「首張黑洞影像」揭祕者

文 / 蔡立勳   攝影 / 蔡立勳   2019-04-10
誰說台灣很弱!中研院躋身全球「首張黑洞影像」揭祕者

人類史上首次觀測到的黑洞影像。圖片由EHT Collabration提供



410日晚間,中央研究院學術活動中心人聲鼎沸,他們全是為了人類史上首張超大質量的黑洞影像而來。這項堪稱21世紀最具突破性的科研成果之一,台灣的中研院也參與其中!

「天大的事。」作家龍應台昨晚(9日)在臉書專頁上,貼出一張黑洞的模擬影像,並直陳:難道沒有比誰配誰(選總統)、誰嗆誰更重要、更精彩的事了嗎?

有,而且,答案就在這張圖。

今晚(4月10日),台北市下起了細雨,中央研究院的學術活動中心,卻是人聲鼎沸。他們全為了晚上8點半開始的記者會而來,如此罕見的時間,是因為要與美國華盛頓、智利聖地牙哥、比利時布魯塞爾、日本東京,以及中國上海等五座城市同步連線。

「就天文物理學來說,這是空前的成就。」中研院院長廖俊智,一句話道破今晚記者會的重點。來自全球,超過60個學術單位、200多位科學家,共同參與的「事件視界望遠鏡國際合作計畫」(event horizon telescope,下稱EHT),第一波成果就在今晚揭曉。

台北時間9點7分一到,重頭戲來了。

人類史上首張超大質量黑洞影像發表

一張位在M87星系中心的黑洞影像,出現在投影幕上。「這是人類史上,第一張超大質量黑洞的影像!」廖俊智說。M87星系,屬於室女星系團,距離地球5500萬光年,是距離我們最近的活躍星系之一,質量約是太陽的65億倍。

過去,黑洞的真正樣貌,一直是個謎團。

2014年上映,克里斯多福・諾蘭(Christopher Nolan)執導,奪下奧斯卡最佳視覺效果的電影《星際效應》(Interstellar)片中,一閃而過的黑洞,準確度堪稱影史最高。背後其實是一組30人團隊,加上數以千計台電腦,工作一年的成果。

黑洞是宇宙中極度壓縮的物體,在極小區內含有極大質量。它的存在,會影響其周圍環境,使時空變形並加熱周圍物質而發光。廣義相對論預測,這種高熱物質,將「照亮」遭時空強烈扭曲的區域,導致「暗影」出現。

若將地球壓縮成一個黑洞,直徑只有17.4毫米,比一元硬幣還小;假使是太陽壓縮成黑洞,直徑則約5.84公里左右。

中研院天文及天文物理研究所副研究員淺田圭一解釋,沒有任何電磁波,可以逃脫黑洞的重力場,無法直接觀測黑洞。也因此想幫全暗的黑洞拍照,是相當艱難的任務。

有個方法,是找到一架口徑如地球大的望遠鏡,就有機會拍到黑洞外圍的渾沌狀態,稱為「事件視界」(event horizon)。這次的「事件視界望遠鏡」,便是以此命名。

只是,地球平均直徑1萬2742公里,要製造口徑這麼大的望遠鏡,有如天方夜譚。不過,若能集結分散在全球各地,放置在高海拔、大氣乾燥之處的望遠鏡(避免水氣干擾),就能組成特長基線干涉(VLBI),相當於口徑一個地球大的望遠鏡。

圖/中研院院長廖俊智(右四)與天文所團隊比出黑洞陰影的手勢。

2017年啟動全球觀測計畫,中研院也有貢獻

中研院天文所訪問學者井上允指出,共有8座望遠鏡加入2017年EHT觀測,隸屬中研院,自始即以M87黑洞為主要觀測目標的格陵蘭望遠鏡(GLT),也在2018年4月成為EHT的重要一員。

除了格陵蘭,中研院也參與了在夏威夷運轉的「次毫米波陣列望遠鏡」(JCMT)、東亞天文台的「詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡」,以及合作建造,位在智利的「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡」(ALMA)。

研究人員讓EHT此次的8座望遠鏡,同時觀測黑洞的某個方位,組合、處理望遠鏡紀錄的信號,才能完成這次發表的圖像。但,由於黑洞是全暗的物體,因此無法拍攝黑洞本身,而是拍攝黑洞的「陰影」,間接證實黑洞的存在。

淺田指出,EHT在2017年4月觀測的7天期間內,都得到一致影像。後續經由4個團隊利用3種不同的方式計算影像,也得到一致結果。

這組「事件視界望遠鏡」的解析能力有多強?舉個例子,若你站在美國東岸,一眼看到美國西岸的一枚硬幣;或是當你身在紐約,卻能看見約4000公里遠的洛杉磯,一顆高爾夫球上的凹洞。「解析度達到前所未有的境界。」廖俊智解釋。

中研院天文所研究員、格陵蘭望遠鏡計畫執行負責人陳明堂,過去受訪時解釋,特長基線的觀測過程很複雜,研究人員拿到資料後,得先將所有台站的磁碟送到相關處理器中心(具專門用途的超級電腦),校正、成像。下一步,是確認影像的真實性,是否有鬼影子在影像裡,才可能開始談科學。

他強調,特別是要看黑洞陰影。因為這是前所未見的影像,研究人員會更小心,反覆檢查可能出錯的地方。

淺田總結此次成果的三大突破。第一,團隊真正揭開活躍星系中,超大質量黑洞的面紗;第二,提供了在探索極限條件下重力理論的新工具;最後,則是成為研究黑洞相關天文物理的先鋒。「台灣已經在本世紀重要的科學發現之一,占有一席之地。」廖俊智強調。

但,這只是初步成果。淺田解釋,為了得到更高的影像解析度,研究團隊必須在較短波長的波段進行觀測,預計從目前的1.3毫米,縮短至0.8,甚至0.4毫米。目前座落在海平面附近的格陵蘭望遠鏡,也正規劃移至峰頂,希望獲得解析度比現在高出10倍的影像。

身處浩瀚無垠的宇宙中,渺小的人類,正逐步揭開它的層層面紗。台灣,也是不可或缺的要角。

關鍵字: 科技全球焦點

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