M87 black hole

「黑洞」一直是宇宙中最神秘的存在,現在經過全球二百多位科學家合作,歷時多年的努力後,人類歷史上首張黑洞照片終於面世了。2019 年 4 月 10 日,EHT 在全球六個城市同步舉行直播記者會,公開人類史上首張黑洞照片;這張照片由一項名為「事件視界望遠鏡」的計劃所拍攝,再花兩年時間才將黑洞照片「沖曬」出來!究竟什麼是黑洞?如何拍攝黑洞?這張照片為何要花費兩年時間「沖曬」?這首張黑洞照片又為何如此重要?

一直以來,「黑洞」都是天體物理學上最引人注目的題材之一,在科幻小說、電影甚至報章媒體經常可見將黑洞作為素材。然而,我們印象中的「黑洞」畫面,都是電影或藝術家所虛擬,真正的黑洞長什麼模樣,從來沒人能見到。

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對於黑洞觀測,其實「事件視界望遠鏡」(The Event Horizon Telescope, EHT) 計劃早在 2006 年就已經開始,當時只有三座射電望遠鏡進行聯合觀測。隨後,EHT 逐漸從一個只有少數科學家參與及資金不足的團隊,發展為由卅多所來自十二個國家的大學、天文觀測站等研究單位與政府機構參與的國際合作組織。

2012 年,EHT 於美國亞利桑那州 (Arizona) 舉行首次正式會議,確立計劃的目標、技術計劃和組織架構等。於 2017 年正式簽署合作協議,主要經費由美國國家科學基金會 (US National Science Foundation, NSF),歐盟歐洲研究理事會 (The European Research Council, ERC) 和其他東亞資助機構提供。

今次發表的這張黑洞照片,其實是在 2017 年 4 月 11 日,由全球多個天文射電望遠鏡陣列,進行為期十天的聯合同步觀測時所「拍攝」的,但由於並非直接拍出黑洞的光學影像,故此需要花費極多時間「沖曬」,包括處理當中的各項數據、填補缺失的部分及調整影像清晰度等等。

 

一、究竟什麼是「黑洞」(Black Hole) ?

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科學家認為黑洞是宇宙中最神秘的天體之一;按照「恆星演化論」(Theory of Stellar Evolution) 來說,黑洞其實是恆星演化的最後階段,一些質量夠大的垂死恆星,當「核聚變反應」(Nuclear Fusion) 的燃料耗盡後,核心無法抵抗自身重力而不斷向內塌縮而形成「黑洞」,你可想像它是個「恆星的亡靈」。

黑洞由於質量及密度都極高,它周圍就存在極巨大的引力場,在一定範圍內,所有經過附近的物質均會被吸進去,即使光也不能逃脫,同樣,處於黑洞裡的物質也不能逃出黑洞。

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由於黑洞一般不會放射出物質或輻射,是完全不反射光線的黑體,因此無法直接觀測,只可以藉由間接方式得知其存在

有時黑洞「捕捉」了鄰近的恆星成「雙星系統」(Double star system),從地球上看來,那可見的恆星〔伴星〕便好像是與一個看不見的「幽靈天體」不停地跳華爾滋,從恆星運動的程度可推算出那「看不見天體」的質量,如果那天體的質量非常龐大,便很有可能是一個黑洞。

天鵝座V404雙星系統黑洞

由於黑洞的巨大引力使伴星的氣體物質以螺旋軌道吸進黑洞〔情況有點像洗手盤去水孔〕,因為物質吸入前被重力急速壓縮,溫度變得極高,從而產生強大的「Χ-射線」(X-Ray) 和「伽瑪射線」(Gamma Ray),在地球上觀察這些「遺言訊息」,便可找到黑洞存在的間接證據。

天體物理學家根據質量把宇宙中的黑洞分成三類,包括恒星級質量黑洞〔質量是太陽的幾倍至上百倍〕、超大質量黑洞〔質量是太陽的幾百萬倍甚至以上〕和中等質量黑洞〔質量介於兩者之間〕。根據理論推算,在我們的「銀河系」(Milky Way) 中,恒星級的黑洞就有上千萬個,目前已知最小的黑洞大約有 3.8 倍太陽質量。

 

二、今次「拍攝」的是哪個黑洞?

今次 EHT 拍攝的目標有兩個,同屬超大質量黑洞,但兩者大小卻非常懸殊。其中一個是人馬座A* (Sagittarius A*) 黑洞,質量估計是太陽的四百萬倍,直徑約 1270 萬公里,與地球的距離約 2.6 萬光年;

Sagittarius A

另一個是位於室女A星系 (Messier 87)〔又稱 M87 星系、Virgo A 或 NGC 4486〕中心的黑洞,直徑達 177 億公里,與地球距離達到 5500 萬光年,質量估計是太陽的 65 億倍,被天文學家形容屬「怪物級」黑洞。

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三、要如何「拍攝」黑洞?

因為黑洞自身不會發光,難以直接觀測,故此這次天體物理學家所拍攝的,其實是黑洞的「陰影」。由於黑洞的引力會吸聚物質到它附近,使它周圍通常都有一個被稱為「吸積盤」(Accretion disk) 的物質團環繞,最終物質會被黑洞重力扯碎,然後加速吸入黑洞,其間釋放大量輻射,因此吸積盤非常熱且光亮,與黑洞的「黑暗」對比十分明顯,因此可以透過觀測這個「吸積盤」來為黑洞拍照。

Accretion disk

雖然知道要怎樣拍攝,但拍攝過程也是一項非常艱鉅的工程,絕非一般人理解的所謂「拍照」—— 只要用相機對準拍攝目標按下快門那麼簡單;由於目標黑洞與地球相距極遠,故此天文學家形容,難度就好比想要從巴黎的街頭拍攝一位紐約途人手上的報紙內容,需要有極大型的望遠鏡才能做到。

根據光學定律,望遠鏡越巨大、觀測使用的波長越短,解析度也越高,如果人類使用單一望遠鏡觀察如 M87 黑洞這些極遠距離天體,其鏡頭直徑約需 13000 公里,與地球直徑相若,但要建造這樣的望遠鏡根本不可能,研究團隊必須另想辦法,於是「事件視界望遠鏡」(The Event Horizon Telescope, EHT) 計劃就誕生了。

EHT 指的並非單一台具體的望遠鏡,而是多組射電天文望遠鏡陣列,使用一種稱為「超長基線干涉測量」 (Very-Long-Baseline Interferometry, VLBI) 的技術,該技術令位處全球各地的天文望遠鏡同步互相協調,同一時間觀測同一個目標,並記錄下數據,建構成一個虛擬地球尺寸的巨大望遠鏡。VLBI 技術的觀測波長為 1.33 毫米、20 微秒的角分辨率 —— 足以站在地球上拍攝月面上的一個橙。

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參與 EHT 計劃的陣列成員〔部份現已退出〕:

1. 夏威夷-「麥克斯韋爾望遠鏡」 (James Clerk Maxwell, JCMT)

2. 智利-「阿塔卡馬大毫米/次毫米陣列」(The Atacama Large Millimeter/Sub-millimeter Array, ALMA)

3. 智利-「阿塔卡馬探路者實驗」(The Atacama Pathfinder Experiment, APEX)

4. 西班牙-「毫米波射電天文台 30 米望遠鏡」(Institut de Radioastronomie Millimétrique 30-Meter Telescope)

5. 墨西哥-「大毫米望遠鏡 Alfonso Serrano」(The Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, LMT)

6. 夏威夷-「次毫米波陣列」(Sub-millimeter Array, SMA)

7. 亞利桑那州-「赫茲次毫米望遠鏡」(Heinrich Hertz Sub-millimeter Telescope, SMT)

8. 南極-「南極望遠鏡」(South Pole Telescope, SPT)。

9. 加州-「毫米波天文學研究組合陣列」(Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy, CARMA)

10. 格陵蘭-「格陵蘭望遠鏡」(Greenland Telescope)

11. 法國-「北方擴展毫米陣列」(Northern Extended Millimeter Array, NOEMA)

12. 亞利桑那州-「基特峯國家天文臺」(Kitt Peak National Observatory)

在過去兩年多來,天體物理學家就一直收集從這些觀測望遠鏡中得到的數據,以製作首張黑洞的片。

 

四、為何「沖曬」需時兩年?

由於從眾多觀測站得到的數據資料量極其龐大,根本無法使用現有的互聯網絡作傳輸,所以用了一個看來很原始的方法 —— 使用大容量硬碟儲存,於觀測完畢之後速遞出去!

然而觀測站多位於高地,常規硬碟經常出現因氣壓過低而無法運作的問題,因此需改用一種特別設計的「氦氣封裝硬碟」(Helium-Filled Hard Drives),不單因其密封不受氣壓影響,而且運作相對穩定及資料儲存量也比一般硬碟大也是原因。

因為硬碟的效能對於 EHT 能否順利運作相當重要,不單因為聯合觀測時,每秒產生的數據量是以 10GbE 為單位計算的,非常驚人,一次普通的五天聯合同步觀測,每座觀測站大約會搜集 500TB 的數據,整個觀測陣列產生的數據大約有 7PB,能裝滿 1000 至 2000 個硬碟。

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然後這些裝滿數據的硬碟,會從各個觀測站以飛機速遞到位於美國馬薩諸塞州 (Massachusetts) 的海史塔克天文台 (Haystack Observatory) 以及位於德國波恩 (Bundesstadt Bonn) 的馬克斯普朗克電波天文研究所 (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MPIR)。

而且每座觀測站的數據是需要互相整體配合才有作用,如果某一座觀測站的數據收集出了岔子,那麼這次觀測的努力就有可能會白費。

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在那裏,資料將會用約 800 個由 40 Gbit/s 網絡連結的 CPU 組成的「相關器」(Correlator) 超級電腦 —— 交叉比對並分析,將各觀測站以時間標記的電波信號整合起來。

這 800 個 CPU 結合其專用的特殊成像軟件後,將數據轉化為單一影像,這個數據轉化程序又被稱為「矽透鏡」(Silicon Lens) —— 表示是以「數據」而非以「光」去生成影像的「透鏡」。有趣的是,這些數據個別分開來看像是一堆堆來自黑洞的雜訊,只有結合各地的數據才能使它們產生「影像」,其產生的影像解像度就相當於使用地球口徑的望遠鏡所拍攝。

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「成像技術」(Image Technique) 對使用 VLBI 技術的陣列而言非常重要,其實 VLBI 陣列收集到能用於進行「傅立葉變換」(Fourier Transform) 的數據不算多,每次都需要在收集到的海量數據當中,尋找可以使用的有限數據,並從多個符合數據的圖像中篩選出失真程度最低的去重建圖像,這個過程相當花時間。

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對於這次能成功拍攝人類歷史上首張黑洞照片的其中一位幕後功臣,是年僅 29 歲的電腦程式專家 Katie Bouman,她所開發的成像演算法讓黑洞照片成功面世。

Bouman 也是 EHT 計劃成員,早在 2016 年,她仍是麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 博士生時就已經開始開發一套演算法,志在讓黑洞照片成真。

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由分佈世界各地的多組射電天文望遠鏡陣列收集的龐大觀測數據資料,就是藉着 Bouman 的演算法去分析、整合,最終得以成像。

Bouman 目前是加州理工學院 (California Institute of Technology, Caltech) 電腦與數學科學系助理教授。根據 Bouman 在麻省理工學院電腦科學與人工智能實驗室 (MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory, CSAIL) 網站中自述說,她的主要研究目標是「運用新興電腦方法,拓展跨學科成像的可能性」。

ALMA

黑洞本身是「黑」的,實際上看不到;但因為大黑洞在中間,光線會轉彎,造成左側比右側更亮,中間黑色部分是黑洞的「陰影」。這些陰影和光亮形成黑洞周圍的混沌狀態,是天文學家嘗試要捕捉的黑洞影像。這個渾沌狀態稱為「事件視界」(Event Horizon),「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT) 的名稱因此而來。

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五、這首張黑洞照片為何如此重要,要如此隆重其事地公布?

對於一般普羅大眾來說,可能只不過是一次茶餘飯後的話題,又或只是一張不太清晰的天文照片,過目即忘,但在天體物理學上來說則是一個歷史性的里程碑!科學家過去僅能透過間接證據推測黑洞的存在,例如是黑洞的超強引力對周圍恆星的影響等,但就從沒真正目睹過黑洞,今次可藉着拍攝照片,去印證過去推測的黑洞理論是否正確!

早在 1915 年,物理學家愛因斯坦 (Albert Einstein) 發表《廣義相對論》(General Relativity),最先預言黑洞的存在。

EHT 計劃成員,中央研究院天文及天文物理研究所 (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica) 副研究員淺田圭一 (Keiichi Asada) 指出,此次觀測結果有三大意義,一是揭開黑洞的神秘面紗,二是探索極限條件下重力理論的新工具,三是成為研究黑洞相關天文物理的先鋒。

Albert Einstein-General Relativity2

不單如此,除了想確認黑洞理論無誤外,EHT 另一個重大的目的,就是觀察在極端引力的環境下,《廣義相對論》是否能保持正確;而由影像結果來看,確認了一直到事件視界為止,《廣義相對論》都是正確的,也讓天體物理學界鬆了一口氣。

Asada 指今次觀測到的黑洞結構宛如新月,圖中央的暗黑區域即爲「黑洞陰影」,這張照片不僅證實了黑洞真實存在,也證實了愛因斯坦的《廣義相對論》對黑洞的推論正確,包括「吸積盤」、黑洞噴流等等一系列的相關理論,都跟之前推測的黑洞理論吻合,有助未來對黑洞進行更深入的研究。

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EHT 科學委員會主席 Heino Falcke 指,『此次觀測結果支持《廣義相對論》對黑洞旋轉所產生的暗影理論,也證實了 M87 星系中心有旋轉的超大質量黑洞存在,只可惜愛因斯坦不能親眼看到!』

美國亞利桑那大學 (University of Arizona) 天體物理學家 Dimitrios Psaltis 也指,『照片符合《廣義相對論》的推論,照片中看到的光暈不是「黑洞」本身,而是黑洞週圍的物質落入黑洞中時所發出的強烈能量。這個吸積盤應該是圓盤狀的,但由於黑洞週圍的引力太過強大,扭曲了光線,使得我們看到的是一個一側亮、另一側暗的圓環。假如我們發現觀測與理論估計的不同,表示《廣義相對論》有些理論並不正確,那麼多年來所有建基於《廣義相對論》的黑洞研究都會返回基本步,幸好照片證實了愛因斯坦是對的!』

在首張黑洞照片公布翌日,由一位夏威夷 (Hawaii) 的語言學家 Larry Kimura,把這個舉世觸目的黑洞命名為「Powehi」。「Powehi」一詞源於夏威夷十八世紀的本土頌歌《Kumulipo》,講述當地的創世神話。意思可以理解為「經過裝飾、深不可測的黑暗創造」,或是「經過美化、無止盡創造黑暗的源頭」。其中「Po」的意思是巨大、無止盡的黑暗源頭,「wehi」則是意味裝飾。

 

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