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

繼 2019 年 4 月人類首度拍到 M87 星系中心的黑洞照片之後，2021 年 3 月事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）成功從複雜資料取得新影像，也就是 M87 黑洞的「偏振光」影像。這張照片和兩年前有什麼不同？台灣研究團隊做出了哪些貢獻？科學家追求高解析度的黑洞影像，又對黑洞研究有什麼重要意義呢？「研之有物」專訪中央研究院天文及天文物理所松下聰樹研究員，和大家介紹這張新的黑洞偏振光影像，以及未來黑洞觀測持續努力的方向。

黑洞照片不只是「甜甜圈」

還記得2019年4月人類首度拍到第一張黑洞照片的感動嗎？那張M87星系中心的黑洞影像，有點模糊又有點有趣，當時很多人開玩笑稱為「甜甜圈」或「貓眼」，網路迷因創作層出不窮。到了2021年3月，事件視界望遠鏡發表了最新成果：M87星系中心黑洞的「偏振光」影像，照片看起來似乎又更清楚了。如果要解讀這張新「丹麥甜甜圈」，就必須先了解「偏振光」。

▲ 2021年3月事件視界望遠鏡公布M87星系中心黑洞的偏振光影像，條紋是光的偏振方向。（Source：EHT Collaboration）

黑洞偏振光影像為何長這樣？

首先，什麼是偏振光？松下聰樹簡單示範：拿一副太陽眼鏡，放在手機螢幕和觀測者（你）中間「過濾」光線。當鏡片在某個特定角度時，我們可順利看到手機畫面；但是當鏡片旋轉到其他角度後，螢幕光線就會被擋住，無法透光。

背後原理就是光的「偏振」。光是電磁波，可沿垂直於行進方向的各個角度振盪。假如一束光只在特定方向振盪，那就是「偏振光」。手機發出的光線通常是偏振光（因為螢幕出廠都會貼偏光片），如果我們放上同樣具偏振片功能的太陽眼鏡，就必須把鏡片旋轉到電磁波振盪的方向，光線才能穿透。

▲ 光是一種電磁波，如果光有特定的振盪方向，就稱為「偏振光」。手機發出的光線一般為偏振光，如果透過偏光太陽眼鏡觀看，只能在某個特定角度才能讓光通過，其他角度則不透光。（Source：EHT Collaboration and Fiks Film）

其次，測量光偏振方向，可幫助科學家了解黑洞周圍磁場。因為黑洞附近的電漿帶有磁場，這些電漿發出的光，偏振方向通常都是垂直於磁場。從觀測結果取得偏振光資料，科學家就可解析黑洞磁場。那麼，要如何解讀這張「丹麥甜甜圈」照片的「紋路」呢？

所謂「紋路」，就是黑洞周圍光線的特定偏振方向。但為什麼光偏振方向會這麼特別？根據最新研究指出，M87星系中心的黑洞自轉軸是指向外太空並遠離地球的，從地表觀測黑洞，自轉方向為順時鐘，連帶讓周圍光線的偏振方向變成逆時鐘（因必須與周圍磁場方向垂直），也就是照片類似丹麥甜甜圈的「紋路」囉。請見下圖。

▲ 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）剛好相應，這特定偏振方向，也就形成黑洞照片類似丹麥甜甜圈的特殊紋路。（Source：EHT Collaboration and Crazybridge Studios）

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星系中心的黑洞擁有狹長筆直的噴流，從黑洞旁邊約0.01光年的距離，延伸到數千光年外範圍。噴流要跨越這麼龐大的空間，又能保持筆直，需要非常龐大的能量才能辦到。天文學家推測，這可能要歸功於黑洞周圍的磁場。

▲ M87黑洞的多波段影像。EHT拍到黑洞事件視界附近的「甜甜圈」影像，而其他波段的望遠鏡則拍到黑洞附近狹長而筆直的噴流。（Source：中研院天文所）

M87黑洞偏振光影像，可能看起來只是一張較清楚的「甜甜圈」，然而實際上要得到黑洞偏振光影像非常困難。這次偏振光影像和2019年公布的首張黑洞照片皆來自同次觀測，但要耗費更多時間處理資料。因此2019年影像僅顯示黑洞周圍的光強度，偏振光影像則要到2021年才公布。

松下聰樹說明，因黑洞附近光的偏振比例通常不到10%，所以偏振訊號大概只有光強度的百分之一，非常微弱。且所有資料必須仔細校正，去除儀器產生的偏振，確保訊號來自天體。觀測所用到的每個望遠鏡各有不同特徵，天文學家需確保全部資料完成校正，是非常艱難的任務。

台灣團隊在黑洞觀測的貢獻

松下聰樹指出，台灣對黑洞觀測有重大貢獻。目前公布的黑洞影像是2017年觀測結果，由7座望遠鏡共同完成，而台灣參與其中三座望遠鏡運作，分別是阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）、次毫米波陣列（SMA）及麥克斯威爾望遠鏡（JCMT）。加上2018年順利上線的格陵蘭望遠鏡（GLT），台灣總共貢獻四座望遠鏡的營運與儀器技術。

資料分析方面，台灣研究團隊也舉足輕重。松下聰樹特別提到中研院天文所博士後研究朴鍾浩的貢獻──負責撰寫資料處理程式，完成非常困難的校正工作，於是能產生這幅偏振光影像。另外，中山大學郭政育教授、師範大學卜宏毅教授都參與了此次研究。中研院參與EHT的人員，還包括淺田圭一參與科學委員會，包傑夫（Geoffrey Bower）擔任EHT計畫科學家，松下聰樹本人則也領導工作團隊。

松下聰樹說，台灣能參與EHT的關鍵，在於「我們在台灣有世界尖端的科技」，因此對於國外研究單位來說有相對大影響力。

▲ 2009年之後，事件視界望遠鏡的天線成員數量陸續增加，台灣總共貢獻四座望遠鏡營運與儀器技術。（Source：中研院天文所）

拍到黑洞影像之後呢？

事件視界望遠鏡（EHT）任務並不是拍到黑洞就收工，隨著更多儀器上線，未來有望揭開更多黑洞的奧祕。

最初2017年觀測，也就是目前公布的黑洞影像，總共使用七座天線。到了2018年格陵蘭望遠鏡開始加入，由於格陵蘭和其他天線距離遙遠，觀測基線拉長，因此增加約50%解析度。

2021年4月，事件視界望遠鏡又完成一次新觀測。這次有美國基特峰天文台（Kitt Peak National Observatory）和法國的北方擴展毫米陣列（NOEMA）加入，觀測的解析度和靈敏度都提高了。

松下聰樹說明，目前公布的黑洞影像，只看到黑洞旁邊的磁場。新觀測有望偵測到外圍瀰漫氣體的磁場，幫助我們了解黑洞、磁場與噴流的關係。科學家正在緊鑼密鼓分析這批資料，期待會有好的結果。

此外，目前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），過幾年後有機會讓所有天線做345GHz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。

我們目前看到的「甜甜圈」，解析度只有3×3畫素。2018年加上格陵蘭望遠鏡，解析度可到5×5畫素。未來頻率提高到345GHz之後，可再提升到7×7或8×8畫素。

還有另一個希望，就是將格陵蘭望遠鏡搬到山上，天氣條件更好，有機會進行更高頻率（660GHz）觀測，解析度可再上升至15×15畫素。高達660GHz頻率的電磁波通常會被水蒸氣吸收，需要水氣很少的地方才能觀測，甚至連夏威夷也只有很少數日子有這種條件。松下聰樹說，智利夠高且乾燥，格陵蘭夠冷，能滿足觀測條件。

高頻率觀測是下一代計畫，還沒人有把握能夠成功，不過松下聰樹正面看待。他說，剛開始組織EHT時，「大家都說拍攝黑洞影像不可能，但我們讓它變成可能了。」

▲ 松下聰樹提到，未來在格陵蘭望遠鏡和高頻觀測的技術支援下，黑洞照片解析度可望提升到15×15畫素。