人類首張黑洞照片再升級!解讀M87星系黑洞偏振光影像與後續-科學人雜誌 Back to Top
中研院-研之有物

人類首張黑洞照片再升級!解讀M87星系黑洞偏振光影像與後續

2022/04/29 中央研究院企劃製作

▲2021年3月EHT發佈M87星系中心黑洞的偏振光影像,圖中的條紋顯示光的偏振方向。

記得2019年4月,臺灣與美、日等國共同發表人類拍到的第一張黑洞影像嗎?這張M87星系中心的黑洞影像有點模糊,大眾暱稱為「甜甜圈」。2021年3月,事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)團隊發表了最新成果:M87星系中心黑洞的「偏振光」影像。

什麼是偏振光呢?光是一種電磁波,會沿著行進方向的各個角度垂直振盪。假如一束光只在特定方向振盪,那就是偏振光。例如手機螢幕發出的光通常是偏振光,若透過有偏光功能的太陽眼鏡鏡片觀看手機,要把鏡片對應電磁波振盪的方向,才看得見手機螢幕內容。那麼,要如何解讀這張「甜甜圈」照片的「條紋」呢?

黑洞附近的電漿帶有磁場,這些電漿發出的光,偏振方向通常垂直於磁場。最新研究指出,M87星系中心的黑洞自轉軸是指向外太空並遠離地球,從地表拍攝此黑洞,黑洞自轉方向為順時鐘,讓周圍光線的偏振方向變成逆時鐘。

▲M87星系中心黑洞的自轉方向(順時鐘)與周圍光線偏振方向(逆時鐘)相應,形成黑洞照片上類似丹麥甜甜圈的紋路。

校正影像雜訊 黑洞輪廓浮現細節

從偏振光了解周圍磁場之後,科學家就可以進一步解析黑洞。目前科學家已知M87星系中心的黑洞有狹長而筆直的噴流,從黑洞旁約0.01光年處,延伸到數千光年外。天文學家認為,噴流要跨越這麼大的空間,又能夠保持筆直,應該涉及非常龐大的能量,這也可能與黑洞周圍的磁場有關。

其實,這張偏振光影像和2019年首張黑洞影像(僅顯示了黑洞周圍的光強度)的資料來自同一次觀測,但處理起來更費時。臺灣也有研究團隊參與解讀偏振光資料的過程。中央研究院天文及天文物理所研究員松下聰樹(Satoki Matsushita)說明,因為黑洞附近光的偏振比率通常不到10%,所以偏振訊號大概只有光強度的1%,非常微弱,資料必須仔細校正,去除儀器所產生的偏振,確保訊號來自天體,而中研院天文所博士後研究員朴鍾浩就是撰寫資料處理程式的科學家之一。

未來有望把黑洞拍得更清楚

根據理論模型,黑洞應該有更細緻的結構,但現有的影像還很模糊。若有更高解析度的影像,就可能辨認出事件視界的精確位置,分辨流出和吸入氣體的構造。

不僅如此,黑洞的半徑和質量呈簡單的線性關係,若能透過影像精確測得黑洞的半徑,則可以了解黑洞如何成長,甚至推測早期宇宙的黑洞如何誕生。此外,黑洞的自轉會拖曳時空,造成影像的些微變化,高解析度的觀測可以分辨得出來。

目前公佈的黑洞影像是由七座望遠鏡共同拍攝,而臺灣參與了智利的亞他加馬大型毫米波及次毫米波陣列(ALMA)、格陵蘭望遠鏡(GLT)等四座望遠鏡的營運並貢獻了儀器技術。松下聰樹說,參與EHT顯示臺灣擁有世界尖端的科技,在國際研究領域上影響力也不小。

EHT正在測試更高頻率的觀測。原先觀測220GHz的電波(波長1.3毫米),過幾年後則有機會讓所有天線做345GHz的觀測(波長0.87毫米),波長比之前短了將近一半,空間解析度也會顯著提高。

目前看到的「甜甜圈」,解析度只有3×3像素。2018年加上格陵蘭望遠鏡,解析度可到5×5像素。未來頻率提高到345GHz之後,可再提升到7×7或8×8像素。如果把中研院主責營運的格陵蘭望遠鏡搬到山上,水氣更少,天氣條件更佳,還有機會進行更高頻率(660 GHz)的觀測,解析度可能提升至15×15像素。雖然高頻率觀測是下一代計畫,還沒人有把握能夠成功,松下聰樹抱持期待。他說,剛開始組織EHT的時候,「大家都說拍攝黑洞影像是不可能的,但是我們讓它變成可能了。」


# 關鍵字:中研院黑洞
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人