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

作者 | 發布日期 2021 年 08 月 02 日 8:45 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


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。

為何追求高解析度影像?

松下聰樹說明,根據理論模型,黑洞應該有許多更細緻的結構,但是在目前公布的影像中仍然糊成一團。一旦有更高解析度的影像,就有機會辨認出事件視界的精確位置,以及分辨流出和流入的氣體。黑洞能量的來源是流入氣體,高解析度觀測可告訴我們,黑洞怎麼吃進氣體,以及磁場扮演的角色。

▲ M87黑洞觀測影像與理論模型比較,可預期未來觀測解析度提高之後,有機會看到更多細緻的結構。(Source:S. Issaoun, M. Mościbrodzka with Polarimetry WG and OWG

不僅如此,黑洞的半徑和質量呈簡單的線性關係,若能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,黑洞旋轉會拖曳時空,造成影像的些微變化,高解析度的觀測可分辨出來。

松下聰樹說:「黑洞的直接影像,開啟天文與物理新領域。這不是結束,只是開始。」目前我們看到的「甜甜圈」影像只是開始,未來還精彩可期。

(作者:歐柏昇、簡克志;本文由 研之有物 授權轉載;首圖來源:Flickr/Daniel Steelman CC BY 2.0)

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