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再揭黑洞之謎!中研院參與EHT國際合作計畫,公布銀河系中心黑洞首張影像!

2022/05/13 中央研究院/科技部
中央研究院天文及天文物理研究所參與的「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」國際合作計畫,於本(2022)年5月12日舉行全球同步記者會,公布銀河系中心超大質量黑洞[註1]的第一張影像,這也是人類史上看到的第二個黑洞。
▲(首張銀河系中心黑洞照片)(圖片來源:EHT Collaboration)

本次黑洞影像取得是透過「事件視界望遠鏡計畫」全球8座電波望遠鏡連線,形成一個跟地球一樣大的虛擬望遠鏡[註2],達到前所未有的高解析度。廖俊智院長表示,本院天文及天文物理研究所是EHT計畫主要成員,支援本次觀測其中3座望遠鏡的建造與運作,以及影像校正與成像。此成果也是繼EHT於2019年發布首張黑洞影像後,臺灣團隊再次扮演關鍵推手,展現全球頂尖的天文觀測實力。

▲ 從左至右:臺灣師範大學物理系卜宏毅助理教授、中央研究院天文及天文物理研究所通信研究員賀曾樸院士、中央研究院天文及天文物理研究所彭威禮所長、中研院廖俊智院長、科技部羅夢凡司長、中央研究院天文及天文物理研究所郭駿毅博士、中央研究院天文及天文物理研究所黃智威博士(圖片來源:中央研究院/科技部)

解密銀河系中心的神祕天體:超大質量黑洞人馬座A星

銀河系中心是一個充滿神秘色彩的區域,過去十多年來,科學家已經觀測到裡面有一個看不見的超大質量緻密天體,名為人馬座A星(簡寫為Sgr A*)。2020年諾貝爾物理學獎得主--德國科學家根策爾(Reinhard Genzel)、美國科學家吉茲(Andrea Ghez)長期追蹤研究銀河系中心恆星軌道運動,間接證實人馬座A星就是一個超大質量黑洞而獲獎。如今,這張照片成為揭開銀河系中心黑洞存在的「第一個直接觀測證據」。

▲ 解密銀河系中心的神祕天體:超大質量黑洞人馬座A星(圖片來源:EHT Collaboration)

本院天文所夏威夷運轉處資深科學家、EHT計畫科學家包傑夫(Geoffrey Bower)表示,「這次公布的影像捕捉到被強大的黑洞重力彎曲的光線,亮環大小也吻合愛因斯坦的廣義相對論」。本突破性發現有助於進一步理解銀河系中心,以及此巨大黑洞如何與周圍環境相互作用。

銀河系中心氣體擾動迅速 比觀測M87 難度更高

事實上,早在2017年,EHT就同時針對M87星系、銀河系中心的超大質量黑洞進行觀測。相較於距離地球5,500萬光年的M87星系黑洞,其質量約為太陽的65億倍;人馬座A星雖然離地球較近,約2萬7,000光年,質量約為太陽的400萬倍,但遠比觀測M87更加困難。

▲ 對銀河系中心黑洞成像(圖片來源:EHT Collaboration)

美國史都華天文台暨亞歷桑那大學天文系及資科所的EHT科學家陳志均(Chi-kwan Chan)解釋,兩個黑洞附近的氣體均以近乎光速在移動。由於人馬座A星比M87黑洞小了2千倍[註3],氣體在比較大的M87黑洞軌道上繞一圈,需要數天甚至數週;但在小得多的人馬座A星軌道上,僅需短短數分鐘,其所造成的氣體擾動導致影像變化速度過快,「像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」,很難取得清晰的照片。此也導致重建這張黑洞影像的難度比M87更高,需開發更複雜的校正技術及成像方法。

本院天文所紀柏特(Britton Jeter)博士比喻,「拍攝人馬座A星的過程,就像將一部電影總結為一張影像!」這些收集到的龐大觀測訊號必須透過世界各地的超級電腦運算,包含美國、加拿大、歐洲及臺灣,打造一個前所未有的黑洞模擬資料庫,與觀測結果作比對。最後透過多次模擬、調校,費時5年才得以成像,成功解開人馬座A星的黑洞謎團,讓世人真正看到這個「潛伏在銀河系中心的巨獸」。

兩個黑洞皆是環狀結構 具剪影及光環

根據廣義相對論預測,黑洞事件視界外的強大重力,足以彎曲光子的運動軌跡,在幾乎圓形的黑暗球狀陰影外,會有一圈明亮的光環。荷蘭阿姆斯特丹大學教授、EHT科學委員會副主席Sera Markoff表示,雖然M87與銀河系中心黑洞的質量與尺寸截然不同,「這兩個黑洞看起來卻非常相似」,皆具有黑洞剪影及光環的特徵。

本院天文所副研究員淺田圭一(Keiichi Asada)也認為,未來可進一步測試重力如何於此極端環境中作用,這是比較和對照兩個黑洞的絕佳機會。

天文突破性發現 臺灣深度參與

本院天文所研究員兼夏威夷運轉副所長陳明堂表示,本次公布的黑洞影像由全球8座望遠鏡共同完成[表1],其中由本院負責運轉或參與建造的望遠鏡就有3座:「次毫米波陣列望遠鏡(SMA)」、「馬克斯威次毫米波望遠鏡(JCMT)」,及「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)」,皆成為解開本世紀科學之謎的重要工具。而這種製作天文望遠鏡所需之電磁波信號偵測技術與超導元件,也能應用於量子科技研究。

科技部自然司羅夢凡司長指出,科技部參與國際科研合作,長期穩定支持ALMA,透過EHT串聯世界各地的電波望遠鏡,讓臺灣為全球基礎科學的發展,做出重要貢獻。

此外,包括中山科學院、臺灣師範大學、中山大學也大力支援,臺灣團隊深度參與,展現先進的科技與工程技術。

本院天文所研究員松下聰樹(Satoki Matsushita)回憶,EHT自2017年啟動黑洞計畫以來,天文所團隊即已投入其中,從 2017 年的初步觀測,到處理大量數據資料、分析及成像,是一段充滿挑戰和未知困難的漫長旅程,即使這幾年全球疫情爆發,仍持續進行國際合作。

本次記者會為EHT與本院、科技部共同舉辦,由廖俊智院長主持,並由參與計畫之本院天文所通信研究員賀曾樸院士、郭駿毅博士及臺灣師範大學卜宏毅助理教授進行簡報。包括科技部自然科學及永續研究發展司羅夢凡司長、國家中山科學研究院航空研究所齊立平所長、墨西哥駐臺辦事處馬丁‧托雷斯(Martin Torres)處長、高雄科工館陳訓祥館長等貴賓亦到場見證。

本次EHT黑洞影像觀測成果,集結全球上百個研究機構、超過300名研究人員共同參與。論文亦已於今年5月12日刊登在《天文物理期刊通訊》(The Astrophysical Journal),網址為: https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results



[註1] 黑洞是個全暗的物體,光線不能從黑洞逃離。雖然我們看不到黑洞本身,但它周圍發光的氣體構成一個明顯的特徵:一個中心的黑暗區域(稱為「暗影」)及周圍的明亮環狀結構。

[註2] 這些望遠鏡之間透過一種稱為特長基線干涉(VLBI)的技術來協同彼此工作。這使世界各地的設備同步,並利用我們地球的自轉來形成一個巨大如地球的望遠鏡。VLBI這種方法使EHT達到20微角秒的解析力–這樣的視力,相當於能在巴黎路邊的咖啡館閱讀一份紐約的報紙。近年來,在IRAM NOEMA天文台、格陵蘭望遠鏡(2018年加入,本院從最初即參與建造)和基特峰望遠鏡的參與下,EHT的觀測靈敏度更顯著提高。

[註3] 黑洞是我們所知唯一質量與大小成正比的天體。一個半徑小1千倍的黑洞,質量也小1千倍。

[表一] 望遠鏡及所在地

1. 阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡 (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)/智利(臺灣參與建置)
2. 阿塔卡瑪探路者實驗(Atacama Pathfinder Experiment)/智利
3. IRAM 30米望遠鏡(IRAM 30m millimeter radio telescope)/西班牙
4. 馬克斯威次毫米波望遠鏡(James Clerk Maxwell telescope)/美國夏威夷(臺灣支援運轉)
5. 大型毫米波望遠鏡(Large Millimeter Telescope)/墨西哥
6. 次毫米波陣列望遠鏡 (Sub-Millimeter Array)/美國夏威夷(臺灣參與建置)
7. 次毫米波望遠鏡(Arizona Radio Observatory)/美國亞利桑那
8. 南極望遠鏡(South Pole Telescope)/南極

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