眼見為憑：黑洞確實存在
- 物理專文
- 撰文者：松下聰樹
- 發文日期：2019-09-26
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事件視界望遠鏡(EHT)成功拍攝到黑洞剪影，也是人類史上首度眼見為憑──黑洞存在這個宇宙之中 。中研院天文及天文物理研究所(ASIAA)積極參與了此成功的合作計畫案。這裡將談談黑洞剪影是如何取得，還有可能會衍生的相關物理研究為何，並展望黑洞成像的未來。
2019年4月10日這一天不僅值得天文學和物理學界紀念，事實上，對社會大眾也相當難忘。當天透過在全球不同的6個城市同步舉行的記者會 (歐洲布魯塞爾、智利聖地牙哥、上海、臺北、東京、美國華盛頓特區)，事件視界望遠鏡 (EHT) 將所拍到的史上第一張黑洞剪影圖像呈現在世人眼前 (圖 1)。消息迅速遍傳全世界：電視新聞播出了記者會和發表人員的採訪、黑洞陰影圖像登上了報紙頭版、網民們還製造了許多ｐ圖。顯然，黑洞陰影圖像對全球公眾都帶來了震撼。
EHT1 是一個國際合作專案，利用特長基線干涉法 (VLBI) 的技術，將世界各地的毫米及次毫米波 (mm/submm) 望遠鏡相連，作成黑洞陰影的成像。VLBI2 這種技術是讓多座望遠鏡同時觀測某天文目標／訊號源，並使用各望遠鏡站台均配備的專門資料記錄器，將干涉法可見之觀測資料存至硬碟中。
由於觀測必須同步進行，因此，非常重要的是，確保每個望遠鏡站台的時間資料盡可能精準。(VLBI 需同時偵測到所有望遠鏡站台的波前，對「同時」的精確度要求是 0.000000001 秒) 為此，每個望遠鏡站台都使用了氫原子鐘；然後，記錄著全部觀測資料的硬碟，會送往相關器中心 (目前是位在德國和美國)，在完成資料相關性處理後，送交 EHT 的資料校準團隊。
EHT合作計畫共有13個成員，其中包括臺灣中研院天文所 (ASIAA)3 及東亞天文臺 (EAO)4，而臺灣也是目前運作中的東亞天文臺的4個地區之一。EHT 合作案雖然正式啟動是在2017 年，但合作的種種籌措規劃和試觀測，早在 2000 年代初期就開始。當時用VLBI在1.3毫米 (230 GHz) 觀測的僅只有位於美國大陸和夏威夷的幾座望遠鏡，觀測結果顯示銀河系中心的Sgr A*的黑洞陰影大小約為40微角秒 (Doeleman et al. 2008)。位於處女座星系團中心巨橢圓星系M87中心的超大質量黑洞，大約也是40微角秒 (Doeleman et al. 2012)。相較下，在2017年4月，史上首次成功拍攝黑洞陰影 (針對M87黑洞的觀測)，用的是遍布全球的8座毫米及次毫米波望遠鏡，並將這項結果以6篇期刊發表在《天文物理期刊快訊》上 (EHT Collaboration 2019a， b， c， d， e， f)，還有6場全球同步記者會。
圖 3 EHT 2017年觀測時的JCMT 觀測隊成員。［從左至右］：松下聰樹 (中研院天文所)、M. Honma (日本國立天文臺)、R. Tilanus (萊頓大學)、W. Jiang (上海天文臺)、郭駿逸 (中研院天文所)、T.-H. Jung (韓國天文太空科學研究所)、W. Montgomery (EAO)。
黑洞剪影的觀測、分析、結果
在EHT 的2017年觀測期間，臺灣參與建造及運作的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡 (ALMA) 首次加入了EHT，這讓干涉條紋的偵測率明顯高於以往。能達到這一步而為此相當關鍵的是，需先開發一個phase-up 系統以便ALMA 天線能像個巨大單碟望遠鏡一樣運作，而中研院天文所對此系統開發做出了重要的貢獻。此外，天文所還為EAO的JCMT望遠鏡組織一支東亞觀測隊，執行了EHT 在2017年的觀測。在2017年4月的觀測期共延續10天，期間，全部8個望遠鏡站點天氣都是在最好狀態的共有5天，EHT用了那5天做觀測。JCMT觀測隊的成員是來自東亞的4個地區 (中國、日本、韓國和臺灣；參圖3)，JCMT 5天當中的全部EHT觀測資料皆獲成功取得。(EHT Collaboration 2019b)
圖 4 為EHT 在2017觀測中負責黑洞剪影成像的東亞團隊成員之合照。［第一排，左至右］：G.-Y. Zhao、I. Cho (韓國天文及太空科學研究所)、小山祥子 (中研院天文所)、羅文斌 (國立臺灣大學，中研院天文所)、淺田圭一 (中研院天文所)，［右上圓圈圈，左至右］：H. Nagai (日本國立天文臺)、郭駿逸 (中研院天文所)。
在資料校準方面，一共開發三條pipelines供使用，其中一條pipeline的開發和使用是由東亞資料校準團隊主導 (EHT Collaboration 2019c)。為了讓這些校準後的資料形成影像，人員分成4組獨立團隊，其中的一個團隊是由中研院天文所主導 (參圖 4)。影像成像共使用了三種不同方法，而且這些成像組的人員在首次做資料成像時，甚至被要求彼此不得分享任何資訊，這麼做的目的是避免任何可能的偏差。5天的EHT觀測中，對M87*黑洞取得資料的共有4天，4組團隊也分頭就這4天資料去做出黑洞剪影圖像的成像，所得到結果都非常類似 (參圖5)。基於這種相似性，我們做成的結論是：「得到的圖像有非常高的可靠度。」(EHT Collaboration 2019d)
圖 5 以2017年4月的4天對M87*黑洞剪影觀測取得資料所做成的4個圖像 (EHT Collaboration 2019d)。所有圖像都顯示出類似的特徵，表明了成像結果的可靠性。此外，由圖像在幾天內並無明顯變化可知，這個黑洞質量一定非常大，此與由計算得知的黑洞質量一致。
圖 6 圖 (左) 為攝於2017年4月6日的M87*黑洞剪影圖像，圖 (中) 是採「廣義相對論流體動力學」(GRMHD) 經模擬所得之黑洞剪影，圖 (右) 再將GRMHD模擬圖像模糊化到近似於實際觀測時的空間解析力 (EHT Collaboration 2019e)。GRMHD模擬所得與觀測影像極近似。
觀測結果是，我們第一次看到M87*星系中心有一個圓環狀訊號發射區域 (圖1)，測量大小可得約42±3 微角秒 (或0.00000012度)，與廣義相對論預測的旋轉黑洞 (又稱克爾黑洞) 恰好吻合。藉比較黑洞剪影圖像與廣義相對論磁流體動力學模擬的黑洞陰影圖像庫，可以計算出黑洞質量 (圖6; Collaboration 2019e)，質量計算出來是 65±7 億個太陽質量 (含系統誤差；EHT Collaboration 2019f)。這個質量和過去以恆星運動 (恆星的速度瀰散度) 對M87*中心黑洞質量計算所得到的66±4億太陽質量 (Gebhardt et al. 2011) 估計值相當吻合。4天的黑洞剪影圖像 (圖5彼此間的相似性，說明黑洞質量非常大，因此影像的特徵在幾天之中並沒有什麼變化(質量這麼大的黑洞，需要數週時間，特徵才會出現變化。此外，黑洞剪影圖像顯示出，南方 (下半部) 的輻射訊號比北方 (上半部) 強，這項外觀特徵可藉黑洞周圍旋轉氣體出現了都卜勒增強效應加以解釋。
下一步是什麼？
基於上述結果，我們首次在視覺上證明了黑洞確實存在，是一個連光都不能逃出的廣義相對論物體。我們還證明了在一個星系的中心有一個超大質量黑洞。這一結果為利用視覺圖像研究黑洞和廣義相對論開闢了一個新的研究領域。
目前的黑洞陰影圖像的空間解析力和圖像品質仍然太低，無法研究更多細節。現階段無法分辨哪些光是來自黑洞事件視界邊緣 (光子環) 或來自落入黑洞的物質 (吸積物質)。此外，M87*中心有窄長噴流噴發，我們的理論研究表明這些噴流是黑洞自旋產生的 (Nakamura et al. 2018)。然而，由於影像品質太低，天線數量少，目前仍無法從黑洞剪影圖像中看到任何噴流特徵。
由臺灣主導的格陵蘭望遠鏡計畫，將能讓我們獲得空間解析力更高、品質更好的黑洞剪影圖像。此外， 2020年還有一些新的望遠鏡會加入EHT觀測。未來的觀測結果將揭示黑洞在高解析度下看起來像什麼、物質如何落入黑洞 (黑洞如何獲取質量)，以及噴流如何從黑洞中噴發 (噴流如何從黑洞的自旋獲取能量)。我們期望黑洞天文學和物理學將隨著這些未來的觀測與理論研究獲得進展而偕同精進。
1 Event Horizon Telescope.
2 Very Long Baseline Interferometry.
3 Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics.
4 East Asia Observatory.
參考論文
延伸閱讀：
望向天際的大眼睛 — 格陵蘭計畫初始
望向天際的大眼睛—格陵蘭望遠鏡裡的天線與接收機系統
凝視時空的深淵：黑洞剪影的故事
2019年4月10日這一天不僅值得天文學和物理學界紀念，事實上，對社會大眾也相當難忘。當天透過在全球不同的6個城市同步舉行的記者會 (歐洲布魯塞爾、智利聖地牙哥、上海、臺北、東京、美國華盛頓特區)，事件視界望遠鏡 (EHT) 將所拍到的史上第一張黑洞剪影圖像呈現在世人眼前 (圖 1)。消息迅速遍傳全世界：電視新聞播出了記者會和發表人員的採訪、黑洞陰影圖像登上了報紙頭版、網民們還製造了許多ｐ圖。顯然，黑洞陰影圖像對全球公眾都帶來了震撼。
圖 1. 由 EHT 所拍攝到的人類史上第一張黑洞陰影圖像。
EHT1 是一個國際合作專案，利用特長基線干涉法 (VLBI) 的技術，將世界各地的毫米及次毫米波 (mm/submm) 望遠鏡相連，作成黑洞陰影的成像。VLBI2 這種技術是讓多座望遠鏡同時觀測某天文目標／訊號源，並使用各望遠鏡站台均配備的專門資料記錄器，將干涉法可見之觀測資料存至硬碟中。
由於觀測必須同步進行，因此，非常重要的是，確保每個望遠鏡站台的時間資料盡可能精準。(VLBI 需同時偵測到所有望遠鏡站台的波前，對「同時」的精確度要求是 0.000000001 秒) 為此，每個望遠鏡站台都使用了氫原子鐘；然後，記錄著全部觀測資料的硬碟，會送往相關器中心 (目前是位在德國和美國)，在完成資料相關性處理後，送交 EHT 的資料校準團隊。
圖 2. 地圖標示出有加入EHT 2017年觀測的8座毫米／次毫米波望遠鏡所在位置。其中，臺灣參與了ALMA、JCMT和SMA。
EHT合作計畫共有13個成員，其中包括臺灣中研院天文所 (ASIAA)3 及東亞天文臺 (EAO)4，而臺灣也是目前運作中的東亞天文臺的4個地區之一。EHT 合作案雖然正式啟動是在2017 年，但合作的種種籌措規劃和試觀測，早在 2000 年代初期就開始。當時用VLBI在1.3毫米 (230 GHz) 觀測的僅只有位於美國大陸和夏威夷的幾座望遠鏡，觀測結果顯示銀河系中心的Sgr A*的黑洞陰影大小約為40微角秒 (Doeleman et al. 2008)。位於處女座星系團中心巨橢圓星系M87中心的超大質量黑洞，大約也是40微角秒 (Doeleman et al. 2012)。相較下，在2017年4月，史上首次成功拍攝黑洞陰影 (針對M87黑洞的觀測)，用的是遍布全球的8座毫米及次毫米波望遠鏡，並將這項結果以6篇期刊發表在《天文物理期刊快訊》上 (EHT Collaboration 2019a， b， c， d， e， f)，還有6場全球同步記者會。
黑洞剪影的觀測、分析、結果
在EHT 的2017年觀測期間，臺灣參與建造及運作的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡 (ALMA) 首次加入了EHT，這讓干涉條紋的偵測率明顯高於以往。能達到這一步而為此相當關鍵的是，需先開發一個phase-up 系統以便ALMA 天線能像個巨大單碟望遠鏡一樣運作，而中研院天文所對此系統開發做出了重要的貢獻。此外，天文所還為EAO的JCMT望遠鏡組織一支東亞觀測隊，執行了EHT 在2017年的觀測。在2017年4月的觀測期共延續10天，期間，全部8個望遠鏡站點天氣都是在最好狀態的共有5天，EHT用了那5天做觀測。JCMT觀測隊的成員是來自東亞的4個地區 (中國、日本、韓國和臺灣；參圖3)，JCMT 5天當中的全部EHT觀測資料皆獲成功取得。(EHT Collaboration 2019b)
在資料校準方面，一共開發三條pipelines供使用，其中一條pipeline的開發和使用是由東亞資料校準團隊主導 (EHT Collaboration 2019c)。為了讓這些校準後的資料形成影像，人員分成4組獨立團隊，其中的一個團隊是由中研院天文所主導 (參圖 4)。影像成像共使用了三種不同方法，而且這些成像組的人員在首次做資料成像時，甚至被要求彼此不得分享任何資訊，這麼做的目的是避免任何可能的偏差。5天的EHT觀測中，對M87*黑洞取得資料的共有4天，4組團隊也分頭就這4天資料去做出黑洞剪影圖像的成像，所得到結果都非常類似 (參圖5)。基於這種相似性，我們做成的結論是：「得到的圖像有非常高的可靠度。」(EHT Collaboration 2019d)
觀測結果是，我們第一次看到M87*星系中心有一個圓環狀訊號發射區域 (圖1)，測量大小可得約42±3 微角秒 (或0.00000012度)，與廣義相對論預測的旋轉黑洞 (又稱克爾黑洞) 恰好吻合。藉比較黑洞剪影圖像與廣義相對論磁流體動力學模擬的黑洞陰影圖像庫，可以計算出黑洞質量 (圖6; Collaboration 2019e)，質量計算出來是 65±7 億個太陽質量 (含系統誤差；EHT Collaboration 2019f)。這個質量和過去以恆星運動 (恆星的速度瀰散度) 對M87*中心黑洞質量計算所得到的66±4億太陽質量 (Gebhardt et al. 2011) 估計值相當吻合。4天的黑洞剪影圖像 (圖5彼此間的相似性，說明黑洞質量非常大，因此影像的特徵在幾天之中並沒有什麼變化(質量這麼大的黑洞，需要數週時間，特徵才會出現變化。此外，黑洞剪影圖像顯示出，南方 (下半部) 的輻射訊號比北方 (上半部) 強，這項外觀特徵可藉黑洞周圍旋轉氣體出現了都卜勒增強效應加以解釋。
下一步是什麼？
基於上述結果，我們首次在視覺上證明了黑洞確實存在，是一個連光都不能逃出的廣義相對論物體。我們還證明了在一個星系的中心有一個超大質量黑洞。這一結果為利用視覺圖像研究黑洞和廣義相對論開闢了一個新的研究領域。
目前的黑洞陰影圖像的空間解析力和圖像品質仍然太低，無法研究更多細節。現階段無法分辨哪些光是來自黑洞事件視界邊緣 (光子環) 或來自落入黑洞的物質 (吸積物質)。此外，M87*中心有窄長噴流噴發，我們的理論研究表明這些噴流是黑洞自旋產生的 (Nakamura et al. 2018)。然而，由於影像品質太低，天線數量少，目前仍無法從黑洞剪影圖像中看到任何噴流特徵。
由臺灣主導的格陵蘭望遠鏡計畫，將能讓我們獲得空間解析力更高、品質更好的黑洞剪影圖像。此外， 2020年還有一些新的望遠鏡會加入EHT觀測。未來的觀測結果將揭示黑洞在高解析度下看起來像什麼、物質如何落入黑洞 (黑洞如何獲取質量)，以及噴流如何從黑洞中噴發 (噴流如何從黑洞的自旋獲取能量)。我們期望黑洞天文學和物理學將隨著這些未來的觀測與理論研究獲得進展而偕同精進。
1 Event Horizon Telescope.
2 Very Long Baseline Interferometry.
3 Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics.
4 East Asia Observatory.
參考論文
- Doeleman, S. S., et al., 2008, Nature, 455, 78.
- Doeleman, S. S., et al., 2012, Science, 338, 355.
- EHT Collaboration 2019a, ApJ, 875, L1.
- EHT Collaboration 2019b, ApJ, 875, L2.
- EHT Collaboration 2019c, ApJ, 875, L3.
- EHT Collaboration 2019d, ApJ, 875, L4.
- EHT Collaboration 2019e, ApJ, 875, L5.
- EHT Collaboration 2019f, ApJ, 875, L6.
- Gebhardt, K., et al., 2011, ApJ, 729, 119.
- Nakamura, M., et al., 2018, ApJ, 868, 146.
此文中譯由中研院天文所黃珞文小姐提供，周美吟博士校閱。
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凝視時空的深淵：黑洞剪影的故事