文章專區

Take Home Message
•繼2019年首次拍到M87黑洞的存在後，臺灣格陵蘭望遠鏡（GLT）與事件視界望遠鏡（EHT）的合作又再次拍到新影像。
•本次觀測發現M87亮環的亮度分布發生變化，但暗影大小保持不變。天文學家認為變化可能由黑洞周圍電漿體紊流造成。
•黑洞暗影大小穩定也驗證了廣義相對論對黑洞的預測。未來GLT將登頂格陵蘭島的冰原最高點，使用次毫米波進一步觀測黑洞。

 
中央研究院的「格陵蘭望遠鏡」（Greenland Telescope, GLT）團隊與「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope, EHT）國際團隊一同公布了M87星系中心黑洞的最新影像。這張新照片來自於2018年的觀測資料，是經由天文學家們數年的分析、處理、論證後產生的成果。此照片再次顯現黑洞亮環的存在，且亮環大小與2017年的觀測結果極為類似。兩張影像的主要差異在於亮環的亮度分布，換句話說，亮環是一個會隨時間改變的動態現象。
 
理論上，這種動態性的變化符合黑洞周圍充滿電漿體紊流（turbulence）的理論。這次的成果是GLT加入EHT後首次發表的研究，已於今（2024）年1月18日發表在《天文與天文物理》（Astronomy & Astrophysics）期刊。臺灣團隊成員包括中央研究院天文及天文物理研究所、臺灣師範大學、中山大學，共同展現了臺灣頂尖的天文研究實力。

回顧第一張宇宙甜甜圈照片

2019年，EHT團隊發表了人類歷史上的第一張宇宙甜甜圈照片⸺M87黑洞影像（圖一a）。該影像顯示，距離地球5500萬光年的M87星系中心位置有一個亮環。依據之前的觀測研究，搭配廣義相對論理論和無數的計算模擬，亮環的形狀、中心暗影的結構大小均符合M87中心黑洞陰影的假設，因此該影像成為黑洞存在的最直接證據。
 
第一張照片的觀測資料來自於2017年4月的全球連線觀測，臺灣團隊負責操作位於夏威夷的次毫米波陣列（Sub-Millimeter Array, SMA）和東亞天文臺（East Asian Core Observatories Association, EACOA）。而這次剛發表的新影像則是從2018年4月的觀測活動中獲得（圖一b），除了次毫米波陣列和東亞天文臺，又加上了一個新的觀測站⸺GLT。多了GLT之後，不僅提高了EHT虛擬望遠鏡的解析能力，更提高影像「保真度」（fidelity）。後者對於以下所提到的影像與計算模擬之間的對比，有著關鍵性的影響。

關於拍攝到的M87黑洞影像或「亮環」，或是影像中的明暗色澤，其實並不是指日常生活中的「可見光」，而是「無線電波」的強弱變化。可見光和無線電波都屬於電磁波，只是無線電波的波長比可見光長好幾個數量級，而我們眼睛也無法直接看到無線電波。雖然黑洞周遭也會發出可見光，但是只有長波長的無線電波可以穿透黑洞外圍層層疊疊的塵埃，透露出黑洞的長相。照片中黃橘色的色澤是天文學家選來顯現無線電波的想像色彩，並非無線電波的真實顏色。當時會選這個顏色，很可能是黑洞科學家們長年累月昏燈伴孤影，時常以泡麵、甜甜圈果腹的影響吧。

為什麼還要再次觀測M87呢？科學方法的一個重要原則⸺任何新發現都必須被重複檢驗。因此時隔一年，EHT團隊重複2017年的觀測，且這一次多了GLT的參與。這也是GLT首次參加全球性的科學觀測，臺灣的EHT成員莫不全力以赴參與觀測後的數據分析與影像處理，以全新的資料重新檢驗M87周圍是否還是長得像是一個「甜甜圈」，還是已經變成了「菠蘿麵包」？萬一出來的結果是後者，光影中心並沒有期待中的暗影，那麼團隊在2017年的說法就有問題了，且黑洞是否存在之謎依舊未解，如同宇宙對天文學家開了個大玩笑。
 

第二張甜甜圈黑洞的誕生

從事實驗科學的過程中，一旦定義了明確的目標，接下來大部分時間和精力都是花在摸索適當和有效的研究方法。科學家們自從1970年代開始，嘗試使用「特長基線干涉法」（very long baseline inteferometry）來觀測宇宙的緻密天體。 經過半個世紀，總算將這種技術發揮得淋漓盡致，具備了足夠解析黑洞光環陰影的能力。2017年的M87黑洞影像，開啟了黑洞直接成像的時代。團隊透過研究黑洞周遭的實際變化檢驗廣義相對論，從理論模型可發現環繞在M87黑洞周圍的物質狀態，也就是影像中的光環，在2017年和2018年間應有所變動。因此，重複觀測M87黑洞的另一個重點，就是要檢視影像可能存在的差異。
 
結果如我們所料，雖然黑洞暗影（亮環中心的陰暗處）的大小沒有改變，但亮環的最亮位置卻在2018年發生了顯著變化⸺明亮區域逆時針旋轉約30度，位於環的右下方約五點鐘位置。這個現象看似普通，但是帶給天文學者一個可以驗證強重力場中流體的物理理論預測，並能進一步對黑洞周圍的電漿和磁場結構進行更精確的統計研究。
 
另外，也可以想像未來若能將不同時間拍攝出的影像組成一段影片，那將會為黑洞科學提供更豐富的動態訊息。
 

廣義相對論的驗證

黑洞是宇宙中已知最緻密也最活躍的天體。當黑洞從周圍環境中吸引物質時，它巨大的重力位能可以將這些物質化成離子流體並產生熱能，最終轉化為EHT可以觀測到的電磁輻射亮環。這些被黑洞吸引而累積在周圍的離子流體流極為複雜和混亂。因此我們必須運用數值模擬的方法，配合相對論和流體力學的內涵以解釋並預測EHT觀測到的結果。最先進的模擬方法使用「廣義相對論磁流體動力理論」（GRMHD）來描述黑洞吸積流的動力現象，爾後將這些數值模擬的結果，搭配「光線追蹤」（ray tracing)的演算法以求得黑洞影像。比較這些預測影像與EHT拍攝的影像，我們便可以從觀測結果回答出天文物理學最重要的問題之一：愛因斯坦的廣義相對論，是否正確預測了超大質量黑洞附近的時空？
 
2018年的影像因而產生。為了避免科學家個人的人為偏差，這次的資料分析採取八組獨立的成像和模擬流程，並從個別獨立組取出它們的共通性特徵，最終結果顯示所觀測到的M87黑洞影像與2017年非常相似⸺它有一個相同大小的亮環，中心區域較暗，環的一側較亮。
 
黑洞的顯著特性之一，是它的大小僅取決於它的質量，同時影響到外圍光環的大小結構。從過去的觀測研究，我們了解M87黑洞不是一個能量非常活躍的星體。換句話說，M87黑洞的「進食」速度非常緩慢，在短短的千百年來（天文上，這只是一瞬間），它是不會長胖的。而2017到2018年觀測影像所呈現的直徑大小穩定性，確認了廣義相對論對黑洞的預測。

GLT的登頂目標

GLT計畫於2010年正式啟動執行建造，由中研院天文所主導，美國史密松天文臺（Smithsonian Astrophysical Observatory, SAO）是我們的主要合作夥伴。2018年，我們成功在格陵蘭島匹圖非（Pituffik）地區的美國太空軍基地完成建造。接著在短短五個月完成望遠鏡的測試、試運轉，並獲得開光（first light），旋即加入EHT的觀測活動，成功的觀測預定目標，其中包括這次發表的M87影像。2022年丹麥的天文團隊〔註〕也加入GLT計畫，參與科學合作。目前GLT位於北緯76度的北極圈內，為世界最北端的電波望遠鏡，它的加入顯著提升了EHT陣列的影像保真度。
 

〔註〕團隊成員包含哥本哈根大學的波耳實驗室 （Niels Bohr Institute at the University of Copenhagen）、丹麥技術大學的國家太空科學實驗室（National Space Science Institute at the Technical University of Denmark）、南丹麥大學 （University of Southern Denmark）的學者。

 
GLT的最終目的地是位於格陵蘭島的冰原最高點，海拔3200公尺的峰頂觀測站，它目前所在的位置只是中繼站。雖然匹圖非的海拔接近海平面，但當地寒冷的冬季天空也提供我們觀測的機會。透過這些在極地區域的實際運作，我們學到了在嚴峻荒蕪的環境中操作望遠鏡的經驗。過去幾年，由於嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）大流行，限制了團隊到旅行至格陵蘭的機會，但也因此順利開發出遠端操作望遠鏡的功能。這種遠端操作能力對於未來峰頂觀測站的運作，至關重要。

至於為什麼望遠鏡一定要到峰頂觀測站呢？這是因為該地區是地表上少數幾個可以觀測極高頻率的次毫米波訊號（690 GHz）的地點。其他具有如此條件的地方只有夏威夷的毛納基峰（Mauna Kea）、智利的阿塔卡馬高原沙漠（desierto de Atacama）、南極的高山上。這些地方都是非常乾燥的高山或高原，因此極高頻率的次毫米波訊號不會被大氣遮蔽。如果繼續留在匹圖非，GLT便無法看到次毫米波的訊號。
 
因此若要進行高頻的連線觀測，GLT可以搭配夏威夷的次毫米波陣列或東亞天文臺的馬克斯威次毫米波望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope, JCMT）望遠鏡，加上智利的阿塔卡馬大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡（Atacama Large Millimeter/ submillimeter Array, ALMA）三方連線，將能成就出現今觀測技術所能達到的最佳影像解析力。若還要更強的方法，那就一定要發射望遠鏡到太空中了。後者在執行上將會比搬動GLT封頂觀測站的挑戰更高，且需要更多寶貴的資源與建造望遠鏡的時間。
 
選擇在格陵蘭的峰頂觀測站架設望遠鏡，主要目的是使用高頻次毫米波來觀測黑洞。從應用的角度，高頻訊號更容易穿透黑洞周圍的電漿（plasma），可以觀測到更靠近黑洞的區域。而最佳的解析度，可以分辨出緊貼黑洞陰影的「光子環」。光子環是一個接近完美圓形的光環。從它的直徑可以準確的得知黑洞的質量；從它的「圓環度」（circularity）可以更準確地推算黑洞的自轉量。目前這兩個黑洞的重要參數可以從亮環的形狀估算得到，但若是要得到精確的數值，我們就必須測量光子環，而光子環可以說是廣義相對論的終極驗證。希望在接下來5～10年內，團隊能夠完成這個突破性的科學目標。這是GLT的科學目標，而綜觀全世界目前與黑洞相關的研究，臺灣的GLT是未來十年最有可能達到這個目標的科學團隊。

 
延伸閱讀
Akiyama, K. et al. (2024). The persistent shadow of the supermassive black hole of M 87-I. Observations, calibration, imaging, and analysis. Astronomy & Astrophysics, 681, A79.