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打造一座黑洞照相機—兼談格陵蘭望遠鏡
 
 
黑洞既神秘又駭人,遠在我們認知能力的地平線外。要證明黑洞的存在,一個方法就是直接擷取黑洞的影像。經由半世紀來的努力,天文學界發展出「次毫米波望遠鏡」及「特長基線干涉法」,合併二者,我們終於打造出一座靈敏度足以擷取黑洞影像的超級望遠鏡!由中央研究院天文所主導的「格陵蘭望遠鏡」,就是為此目標而建立的。它位在北極杳無人蹤的格陵蘭冰原,因為當地大氣透明度高,是觀測黑洞的絕佳地點。我們與哈佛大學的天文團隊克服北極酷寒冰雪,於2017年成功架設,並在今年4月參與國際黑洞觀測計畫,作為世界公民,這是台灣為人類知識的拓展所做的主要貢獻!
 
講演綱要(撰文|孫維新)
 

12月7日晚間,秋季展望的第四場演講,由中央研究院天文及天文物理研究所陳明堂博士擔綱,陳博士以「打造一座黑洞照相機—兼談格陵蘭望遠鏡」為題,道出心所嚮往,遠走他鄉的格陵蘭前瞻跨國計畫。十年磨一劍,歷經艱辛的倡議說服,拆卸組裝作業,到組織一支國際團隊,對抗極區低溫,公開這段被認為「極」端瘋狂,但齊心協力成功打造全球第一座在北極圈內特殊望遠鏡的過程。讓我們飽覽永晝和永夜交替的極地風光,體驗極高解析到「微角秒」的世界,摸黑「洞」察神祕現象,掀開「星系中心黑洞」的面紗!

 

為什麼要把望遠鏡擺到格陵蘭?回答這個疑問前,陳博士首先談起臺灣體驗不到的工作環境。自己是熱帶長大的孩子,到那麼冷的地方,光是怎麼穿衣服,就成為了一大挑戰!現在的工作讓他和同事有機會到世界各地冒險,對他個人意義重大,而他也希望能藉由科普演講和大家分享這難得體驗。

 

今天的主題是愛因斯坦的廣義相對論下的產物:「黑洞」。近年來多項觀測證據指出,黑洞是宇宙中的自然現象,其中最顯著的是在銀河系中心的超大質量黑洞。他進一步強調,宇宙中有上千億個像銀河系這樣的星系,但目前瞭解,幾乎所有星系的中心,都能夠找到一個超大質量黑洞,這種黑洞的質量從數十萬個太陽到數十億個太陽質量不等。

 

如果黑洞真的存在的話,那它看起來應該是什麼模樣?陳博士放上模擬影像,憑想像我們可以確知黑洞是黑的,但黑洞周遭會有強烈的光環。從理論上說,黑洞是質量被壓縮到一個臨界空間(事件視界)的範圍裡,產生無可抗拒的重力,當物質、訊號、能量進入這個事件視界,它們將無法離開這個範圍,連光都跑不出來!從觀測證據上看來,我們知道宇宙中存在著許多黑洞,而黑洞可視為恆星的墓碑(有些恆星死亡後會成為黑洞),但今天的演講主題將聚焦在「超大質量黑洞」(百萬到百億個太陽質量)。

 

黑洞是怎麼產生的?陳博士指出,最經典的一種方式是在恆星死亡時產生的黑洞。我們知道恆星一開始是星雲中的物質由重力凝結,太陽就是這樣的例子:內部發生核融合,產生能量與壓力往外推,同時它本身的質量則驅使它往內縮,這兩者平衡的結果,即是我們現今所看到的太陽表面。未來有一天,核心的核融合燃料是會用光的,那時會像是氣球爆炸,外面的部分炸到太空,而內部劇烈地往內縮,沒有力量能夠與重力抗衡,持續內縮到臨界空間時,中心就出現一個黑洞了。

 

不過並不是所有星球死亡時都能成為黑洞,太陽的質量就不足以將核心壓縮到臨界空間,因此核心部分只能成為白矮星。若為太陽的兩倍到十倍的星體死亡時,其質量則足以壓縮其成為中子星,密度高達白矮星的10的13次方數量級以上。依照目前的研究,靠近地球的100顆星星中,約有8顆到10顆是白矮星,而最靠近我們的黑洞則位在3,000光年遠處,可以算是安全的距離,大家不用擔心!他進一步以1到2個太陽質量的天體來推測分別成為白矮星、中子星,和黑洞後的體積:白矮星將會跟地球一樣大,中子星則約為台北市的大小,黑洞則將僅有大安區那麼大。從這樣的比較中,我們就能認識三者之間的密度差異!

 

黑洞是黑的,並不會發光,那麼該如何觀測它們?陳博士表示要利用黑洞超大重力造成的「重力透鏡」效應。陳博士舉Abell 2218(一個超大星系團)為例,我們發現星系團後的星體的光要到達地球,並不會走直線,反而是「繞過來」的,呈現弧狀式的光,這樣的效果即近似於透鏡。而當我們拿自己的銀河系做例子,若是銀河系的前方有一個黑洞,那銀河的影像將被扭曲,重力會把我們原本無法看見的影像拉過來,黑洞還會使影像壓縮扭曲,出現繞射和折射的現象,更驚奇的是靠近黑洞表面的光線會繞上好幾圈,出現聚光的效果,將亮度放大加強,在靠近黑洞的部分將出現一圈光環。模擬出的黑洞中心並不是正圓,那是因為黑洞會自轉,造成有些光被加強,有些光被減弱。黑洞巨大的質量會將周遭物質都吸引過來並開始旋轉,形成會發光的「吸積盤」,結構上像是一個甜甜圈,上下形成黑洞噴流。伽瑪射線的望遠鏡確實可以偵測到黑洞,然而這類望遠鏡的解析度過低,分辨不出臨界空間,而可見光則傳不出來,會被吸積盤內的物質遮住,於是無線電波就成為最佳的手段!

 

目前已知有兩個超大質量黑洞,就是位於銀河系中心的SgrA*和位於M87橢圓星系核心的巨大黑洞。陳博士在分別介紹它們過後,也提及其觀測難度:從天文的術語來說,它們都僅有十幾個微角秒。他解釋說,當我們把眼前的視野分為180度,伸出的拳頭約為十度,大拇指約為兩度,小拇指則是一度,太陽跟滿月差不多,兩者視角約為半度(30角分),銀河系之外的星系就更小了。因此,觀測黑洞的望遠鏡解析度即成了一大挑戰。對此,他們用孔徑合成法來克服,發展出高解析力的黑洞照相機。不過這樣的技術也有限制,首先它只能接收較高的能量,另外它對中心和細節較為敏感、對大結構則不容易看出確切的輪廓,需要後續處理來釐清疑點。

 

陳博士最後播放了格陵蘭望遠鏡的紀錄片,讓大家加深對整體計畫內容的概念。為讓望遠鏡得以在格陵蘭酷寒的環境下正常運作,團隊在各地進行改造,終於在2017年集合在一起,並且架設組裝成首座極圈內的電波望遠鏡。他也強調格陵蘭望遠鏡已加入事件視界望遠鏡(EHT)計畫,目標是在透過與其他電波望遠鏡包括:夏威夷的次毫米波陣列(SMA)、JCMT(James Clerk Maxwell Telescope)、智利的 ALMA、南極望遠鏡(SPT)等相連,利用特長基線干涉技術(VLBI)形成全球大型虛擬望遠鏡,逐漸得到初步成果。儘管各地望遠鏡相距可能遠達數千公里,但透過 VLBI 技術,讓這些望遠鏡同時偵測來自太空的同一訊號,就可大幅提升其解析度,為世界的天文探索邁進一大步。

 

陳博士對此計畫也有感而發,這除了是一個獨特的科學貢獻之外,他們也在創造一個「故事」。無論結果如何,除了獲得激勵人心的知識,也希望能傳達一個重點:在這個島上,只要你勇敢去嘗試,去執行,你都可以做得到。就像陳博士勇於去嘗試各式各樣的挑戰!在這個溫度下降的夜晚,聽到如此堅定的鼓勵,讓我們被這群科學家的熱誠打動,也因為獲得正向的能量內心雀躍不已!
 
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