電波望遠鏡如何穿透 27,000 光年「看見」黑洞?

作者 | 發布日期 2022 年 05 月 13 日 16:15 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


黑洞觀測與電波天文學發展密切相關,為什麼觀察黑洞要透過電波望遠鏡而非光學望遠鏡?前者又如何「看見」實際上看不見的宇宙黑洞?

雖然宇宙星際塵埃密度實際上非常低,但從地球看往銀河系中心的路徑長達 27,000 光年,當一片又一片塵埃累積遮擋,遠方可見光便被路上這些塵埃吸收了,因此我們無法利用光學望遠鏡看到銀河中心。在許多拍攝銀河中心的光學望遠鏡影像中都可以看到一條長長的「銀河」,那些便是宇宙塵埃,而超大質量黑洞就躲在這片塵埃遙遠的後方。

因此,科學家需選擇不受塵埃影響的波長才能接收來自遙遠星系的訊號,無線電波和可見光主要差別就在於波長,可見光波長約 0.5 微米,而事件視界電波望遠鏡(EHT)觀測波長為 1 毫米,兩者相差 2,000 倍,因後者波長比灰塵大得多,因此可以穿透塵埃。

同時波長又和望遠鏡的「視力」(角解析度)有關,波長愈小、角解析度越好,所以波長又不能太大,否則會導致最終影像解析度不足。在技術與建置成本考量下,EHT 選擇了最適合觀測的次毫米波波長(0.5~1 毫米)。

此外,望遠鏡口徑也是影響角解析度的條件之一,口徑越大、角解析度越好,而事件視界望遠鏡便利用特長基線干涉(Very-long-baseline interferometry,VLBI)技術串聯世界各地 8 座電波望遠鏡,形成一座口徑超巨大的「虛擬洲際望遠鏡」對準星系中心拍攝。

▲ 參與 EHT 觀測銀河系中心黑洞的 8 座望遠鏡,其中 3 座由台灣支援建造/運作。

順帶一提,這也是為何一些科學家提出在月球上放置電波望遠鏡,讓我們有機會以類似技術製造出超越地球大小的虛擬望遠鏡。

EHT 團隊表示,此次公布的銀河系中心黑洞影像與 M87 黑洞一樣都來自 2017 年的觀測,然而銀河系超大質量黑洞人馬座 A* 因距離較近、軌道運轉速度更快,導致黑洞幾分鐘就發生變化,數據像螞蟻一樣「到處亂竄」,因此研究團隊需排除更多干擾和錯誤訊號才能聚焦,直到 2022 年才正式公開影像。

至於拍到銀河系中心黑洞有什麼用處?我們將可驗證廣義相對論,同時檢視 2020 年諾貝爾物理獎獲獎者 Andrea Ghez、Reinhard Genzel 對銀河系中心黑洞的推論是否正確,還能比較 M87 星系中心黑洞與銀河系中心黑洞的差異。

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運動軌跡,並在幾乎呈圓形的黑暗球狀陰影外出現一圈明亮光環,麻省理工學院解釋,被吸進黑洞不歸路之外的光線仍存在,它的圖案就像照片底片一樣可揭示黑洞潛伏。

這張最新影像也證實了廣義相對論另一個預測:所有黑洞都是相似的,無論大小。儘管 M87 星系與銀河系中心的黑洞質量、尺寸截然不同,但兩者看起來非常相似,都具有黑洞剪影及光環特徵。

▲ 黑洞周圍物質流動動態圖。(Source:NASA

科學家希望未來能獲得更清晰黑洞暗影圖像。現在我們只能看到最亮特徵,但這片亮光下其實還有更微弱的子結構,之前科學家便曾拆解這些甜甜圈光環,實際上由無數薄光子環組成;NASA 也曾為此製作黑洞外觀高解析動態圖。

新論文發表在《天文物理期刊通訊》(The Astrophysical Journal)。

(首圖來源:歐洲南方天文台

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