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在事件視界望遠鏡前,
人們怎麼觀測黑洞?
2022.06.03

邵思齊/EASY 天文地科小站成員。前新竹高中天文社社長,(撰文時)就讀國立臺灣大學地質科學系。

 

黑洞(black hole)是天文研究中人們亟欲參透更多的謎團。要看到這體積小、質量重的天體並拍下它的「倩影」並不容易,不僅觀測儀器要夠給力,甚至得仰賴天文學家旁敲側擊,才能從黑洞與其它天體間的作用、行為推導出它的存在。在成功拍攝黑洞影像前,人們如何「摸黑前行」,找到黑洞的蹤跡?讓我們繼續看下去。

 

引言——黑洞影像與 EHT

2019 年 4 月 10 日,事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)計畫發表了一張震撼人心的影像──位於室女座 M87 星系中心的超大質量黑洞。為了拍攝這張照片,天文學家集合了來自世界各地的望遠鏡同步觀測目標,並利用超級電腦將這些資料合併,讓人們能以史上最高的解析度,穿過星際間的層層迷霧,清楚地看到黑洞剪影。

不過,其實早在 EHT 之前的數十年,人類就已經用過各式各樣的方法,觀測與研究宇宙中的黑洞們了。現在,就帶各位來一探究竟。

 

黑洞是什麼?

在了解黑洞的觀測前,先簡單回顧一下「黑洞」是什麼?黑洞是一種密度非常高的天體,因此它的重力場也相當強大,大到連光都逃不出黑洞附近的空間,而區別光能否脫離的分界線,就稱為事件視界(event horizon);任何東西進到事件視界內就有如買了張單程機票,一去不復返,使得天文學家無法獲得事件視界內的任何資訊。

如此神秘又特異的天體,當然是天文學家非常感興趣的目標。儘管黑洞是宇宙中質量最大的一群天體,卻因為體積小、又不會發光,很難直接被觀測。

 

看不見的大傢伙

當黑洞沒有在激烈的「進食」時,幾乎不會放出任何電磁輻射,因此難以用望遠鏡觀察。但是,黑洞就像是宇宙中的其它星體一樣,會在重力的作用下與恆星、白矮星、中子星或另一個黑洞互相繞行。人們雖然看不見黑洞,卻可以觀測到與它互相繞行的星體所發出的電磁波。也就是說,若看到恆星繞著一個看不見的物體運動,那也許,這個看不見的物體就是一顆黑洞。

著名的案例,就是美國加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles)的銀河系中心研究團隊,他們從 1995 年開始,利用凱克天文台(W. M. Keck Observatory,圖一)針對銀河系中心的恆星位置進行了長達 20 年的觀測,藉由恆星每年的移動計算這些恆星運行的軌道,發現它們都繞行著同一個天體運行,並且進一步算出這個天體的質量大約是太陽的 430 萬倍、半徑卻只有 0.002 光年!擁有如此高密度而不發光的天體,極有可能就是黑洞(圖一)。

 

▲圖一:位於美國夏威夷毛納基山的昴星團望遠鏡(Subaru Telescope,圖中左邊建築物)及凱克天文台(W. M. Keck Observatory,圖中右邊兩顆球狀建築)。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/Flickr-Qfshin Taylor Darian, https://flic.kr/p/7A83mW

 

黑洞真的黑嗎?

那如果黑洞在「進食」呢?情況將完全改變!

物質在落入黑洞之前,會在黑洞周圍堆積成盤狀繞行黑洞,稱為吸積盤(accretion disk)。在吸積盤上,這些物質會緩緩地螺旋墜入黑洞,並在過程中相互摩擦、碰撞,將重力位能化成光與熱。尤其在靠近事件視界的區域,高速旋轉摩擦的物質會產生大量的 X 射線和其它電磁波。

舉例來說,當小質量黑洞(stellar mass)註一與一顆恆星互相繞行,黑洞會將恆星上的物質吸入其中,並如前段所描述的、在進食過程中產生大量的 X 射線。這樣的系統,天文學家稱為「X 射線雙星(X-ray binary)」,目前已經在銀河系中找到超過 20 個。如果是一個位於星系中心的超大質量黑洞正在激烈進食,它發出的能量甚至能使星系的核心明亮到整個星系的其它部份都黯然失色!一個進食中的黑洞不僅不黑,在某些波段上甚至非常耀眼(圖二)!

 

▲圖二:位於 NGC 5548 星系中心的超大質量黑洞,讓星系的中心格外明亮。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/ESA/Hubble and NASA

 

除了吸積盤,在磁場等複雜的物理作用下,進食中的黑洞會將物質以極高的速度向兩極噴出,形成噴流(jet)。這些噴流中的高速物質,會在磁場的作用下以同步輻射放出無線電波,可以被無線電望遠鏡觀測到。以星系中心的超大質量黑洞來說,它們發出的噴流長達數千甚至數十萬光年,是非常壯闊的大型結構(圖三)。

 

▲圖三:橢圓星系武仙座 A 發出的噴流。本圖將哈伯太空望遠鏡拍攝的星系影像與甚大天線陣列(Very Large Array, VLA)無線電望遠鏡拍攝的噴流影像結合,更能體現出噴流的實際大小。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/NASA, ESA, S. Baum and C. O'Dea(RIT), R. Perley and W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), and theHubble Heritage Team (STScI/AURA)

 

重力波與黑洞的淵源

除了電磁波外,重力波也是人們觀測黑洞的好幫手。與電磁波相比,重力波不容易與物質發生交互作用,因此很適合作為傳遞訊息的媒介,如 2015 年 9 月,美國雷射干涉重力波天文台(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)與歐洲室女座干涉儀(Virgo interferometer)就同時觀測到一個重力波事件。藉由分析重力波的波形,天文學家推論這是兩個黑洞合併過程所產生的重力波。且兩顆黑洞的質量、合併的過程、合併釋放出的能量、合併發生的距離與方向等資訊,都可以從多個不同探測器獲得的重力波波形

反推而得。對重力波的觀測,不僅讓人們多了一樣可靠的黑洞研究手段,更可以作為其它觀測工具的導航儀,在事件發生的第一時間通知可用的天文台觀測合併發生的天區,以獲得更多更齊全的資料!

 

是說,觀察黑洞要幹嘛?

回過頭來,或許你會想問,為什麼要研究黑洞?為什麼要投入這麼多人力、金錢去觀測這些遙遠得無法想像的天體?

人類不斷探索未知、世界的組成與起源,並在路途上創造了許多改變世界的發明,黑洞作為宇宙中最極端的天體,仍有太多未解之謎等待我們探索。物質究竟如何掉入黑洞?噴流如何形成?黑洞會怎樣影響星系的演化?集種種問題於一身,在好奇心的驅使下,黑洞自然是天文學家夢寐以求的觀測目標。

再者,探索宇宙的路途上,科學家也在不斷推進科技的前沿。為了觀測黑洞而開發的新材料、新演算法,也許未來也將造福人們的日常生活。在這天到來之前,就讓我們好好看著人們是如何集結各方的資源、試圖解開宇宙中最神秘的存在吧!

 

註一:最早觀測到的黑洞候選者可以大略分為恆星質量黑洞(恆星死亡後產生,質量大約為太陽的數倍到數十倍,散布在星系中)與超大質量黑洞(質量超過太陽數百萬倍甚至更多,通常位於星系的中心)兩種,不過近幾年已觀測到質量介於兩者之間的中型黑洞候選者。

 

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2020 年 1 月