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2020-05-01宇宙中的噴火槍—黑洞噴流影像現蹤跡
605 期
Author 作者
陳明堂∕中央研究院天文所研究員，臺灣黑洞團隊發起人之一。2019 年事件視界望遠鏡成功獲取首張黑洞影像榮獲基礎物理突破獎。
宇宙級的噴火槍：3C 279
在去年公布的首張黑洞影像後，事件視界望遠鏡團隊今（2020）年又再次發表另一張超高解析度的影像（圖一）。這次的目標是一個叫做3C 279 的星體，影像呈現出一對橢圓狀的發光體。這兩個光體的位置左上右下，似乎處在一種隨遇而安的狀態。與去年發表的黑洞甜甜圈不同，反而像在一潭黝黑的池水中，偶爾浮上水面的兩條金魚。
圖一：今年EHT 公布的3C 279 影像。圖右是本次拍攝到的黑洞噴流，根據EHT 的分析，左上光影是噴流的源頭，右下光影則是正在遠離源頭的噴流。（J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and the Event Horizon Telescope Collaboration）
3C 279 是一個類星體（quasar，圖二），位在室女座（Virgo Constellation，又稱處女座）附近，靠近春季大三角（Spring Triangle）的角宿一（Spica）。雖然肉眼看不見3C 279，但是從過去的觀測，天文學家知道它是銀河系外頭的另一個星系。它發出的訊號，從低能量的無線電波、紅外線到可見光、紫外線延伸至高能量的X 光，應有盡有；甚至也會發出強烈的超高能量的γ射線。
圖二：藝術家筆下的類星體想像圖。（ESO/M. Kornmesser）
與去年的M87* 黑洞相比，為什麼這次的影像中沒有看到甜甜圈呢？因為3C 279 距離地球太遠了，相比之下，去年拍到M87* 離地球「僅僅」5500 萬光年，而3C 279 則幾乎是100 倍遠的距離。不僅如此，根據天文學家的估計，3C 279 中心黑洞的大小還不到M87* 的五分之一。由於又小又遠，因此以目前EHT 的影像解析能力，還無法完全看到3C 279 的黑洞，所以在此影像中才看不到任何的甜甜圈。
看不見甜甜圈沒關係 EHT 還是有辦法解析
雖然看不到黑洞，但是天文學家可以利用EHT的超級解析能力來研究黑洞外圍的物理現象。當環繞黑洞的星際物質從吸積盤掉進黑洞時，並非所有物質都會進入黑洞之中。其中一部份的物質會以電漿能量包的形式，極高的速度從黑洞的兩個極點朝外噴出，物質噴出的速度趨近光速，這就是所謂的噴流。目前科學家還不了解噴流的切確成因，但是一般認為是吸積盤與黑洞周遭的磁力場所造成，這也是EHT 的科學家研究 3C 279 的主要動機。
人們對黑洞的了解是建立在愛因斯坦的廣義相對論。黑洞是經由重力塌縮（gravitational collapse）後形成的星體，它具有質量、自轉和事件視界（event horizon）。根據理論，任何發生在事件視界裡面的資訊都無法傳遞到外面，所以對外界的觀察者而言，黑洞的物理性質來自於事件視界之外的空間，因此事件視界代表黑洞的視覺大小。
2017 年4 月的觀測期間，EHT 除了使用參與團隊的天文台之外，還另外動用其它兩組望遠鏡陣列，總共三組陣列透過不同的電波波長擷取3C 279 的影像。其中，長波段的影像（超長基線陣列VLBA 波長7 mm）擷取到3C 279 大範圍的相貌，影像明顯顯示左上角黑洞所在的熱點及從熱點衝往右下方向的噴流；中波段的影像（全球毫米波特長基線陣列GMVA 波長3 mm）把目光聚焦在靠近黑洞和噴流的起始點，期望從影像中能透露出關於噴流起源的訊息。但結果卻不盡人意，此波段呈現出來的影像幾乎是長波長的翻版，導致很難從結果中分辨出熱點和噴流之間的差別。
要看得更仔細， EHT使用8座次毫米波電波觀測站同時朝熱點觀看，能提供更細微的影像解析能力（波長1.3 mm），所得到的影像與中、長波段的結果相比，的確有出乎意料的發現。EHT 的影像出現左上與右下兩個獨立的部份，經由影像分析，EHT 團隊科學家認為右下部份訊號的移動方向與速度，和中、長波長影像中的噴流類似，因此他們認為右下部分的光影是大尺度噴流的一部份。此結論比較是可以預期，而沒有太多的爭論。可是該如何解釋位於左上的訊號就不是那麼容易了。
猶如宇宙噴火槍的燿變體
說到這裡，如果讀者對類星體有些認識，可能會猜測左上的光影應該是黑洞吸積盤發出的能量，黑洞就躲在巨大的吸積盤中間；而右下部份的狹長光影就是黑洞的噴流結構。噴流與吸積盤呈現接近 90 度的相對位置，此猜想符合天文學家想像中的類星體（圖三），可是問題卻沒有那麼簡單。
圖三：耀星體與類星體的示意圖，上圖的耀星體噴流方向非常靠近從地球的觀測視線。
3C 279 是類星體中的特殊例子，特別的地方在於它的噴流方向非常接近觀測的視線。如果把噴流當作是一把宇宙噴火槍的火焰，那麼在地球上觀看3C 279 的方向幾乎是往火槍的噴嘴裡頭看進去，高能量的噴流就只對著地球上的觀測者打出來。由於都卜勒效應（Doppler effect）的關係，此噴流看起來會特別亮，因此天文學家給這類型的類星體一個特殊的名字：燿變體（blazar，或稱耀星體）。
令人匪夷所思的觀測結果
換句話說，從地球的角度觀測，3C 279 除了具有一個非常強烈的中心訊號源外，天文家認為應該可以看到整個吸積盤才對，並認為從此角度觀測，吸積盤應該是接近圓形。但是在EHT 的影像中，左上的光體卻是個狹長的橢圓形，該如何解釋異形怪狀的吸積盤，對理論學家是一大挑戰。
有一種解釋說法認為，左上與右下的光影其實是一樣的，都是噴流的高能量聚集的電漿能量包。二者不同之處在於，左上的能量包非常接近黑洞的噴嘴，並以更對準觀測者視線的角度而來，當然此角度並不完美，因此高能噴流的還是會在觀測的視線中投射出一個狹長的橢圓光影。雖然可以合理解釋觀察到的左上光影，但又該如何解釋左上與右下的能包移動的方向似乎不一樣？難道噴流會改變它的方向？關於這一點，天文學家從其它類星體的觀測經驗，知道由於吸積盤附近的強大磁場作用，噴流的確有可能改變方向。在類星體中心的磁場作用下，噴流的路徑可能比上下360 度翻滾的雲霄飛車還複雜，因而造成EHT 觀測到的奇怪影像，所以目前EHT 的團隊相信這是一個比較合理的解釋。
觀測「超光速」移動的噴流？
這次EHT 共花了4 天的時間觀測3C 279，而每天都會產生一組非常類似的影像，經過仔細檢查，EHT 的團隊發現影像中的兩個光體的距離每天都有些不同。事實上，兩個光體正在分開中。此觀察符合前一段的論證：左上的光影代表噴流的源頭，右下是正在離開的噴流。
有了EHT 望遠鏡的超級解析度，天文學家可估計噴流的移動速度。EHT 的團隊發現右下的能量正以超過10 倍光速的速度離開噴流的源頭位置。讀者可能會納悶，超光速運動是有可能的嗎？
其實天文學家在半世紀前就已經知道，類似耀星體所發出來的噴流「看起來」會有超光速現象（superluminal motion）。如此奇怪的現象是因為高能量的噴流速度接近光速，但是由於觀測角度的關係，從遠方看起來噴流的速度超過光速。此現象其實可以用相對論解釋，所以看起來超光速並不代表真正超越光速。
| 黑洞物理參數的比較 |
| 黑洞名稱 |
天空位置 |
大約距離地球 |
估計質量 |
天空視角 |
人馬座 A*
（Sgr A*） |
人馬座
（射手座） |
26000光年 |
4百萬個太陽 |
50微角秒 |
| M87* |
室女座
（處女座） |
5500萬光年 |
65億個太陽 |
38微角秒 |
| 3C 279 |
室女座
（處女座） |
53億光年 |
10億個太陽 |
0.06微角秒 |
宇宙的更多故事等著被挖掘
53 億年前，那時太陽系正在慢慢成形，地球根本還沒存在。然而，隨著科學的進展，一個發生在距離地球53億光年外的物理現象，竟然被天文學家看到了！此次EHT發布的影像雖然沒有如同去年M87* 黑洞的影像引起一陣轟動，然而3C 279 的影像透露出來的新資訊，似乎讓天文學家產生更多的問題與好奇。這就是科學發展，隨著EHT 突破性的觀測儀器發展，人們將會看到許多前所未見的現象，並引導好奇的科學家們，更進一步了解所處在的宇宙。
2017 年參與EHT 的八座望遠鏡中，臺灣參與建造或運作的一共有三座，包含夏威夷的次毫米波陣列（SMA）、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡（JCMT）和智利的阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列（ALMA），再加上貢獻運作經費與觀測人力，讓臺灣團隊占有顯著的地位，這也是總共13 席的EHT 董事成員，臺灣中研院就占兩席的原因。
臺灣團隊一手主導的格陵蘭望遠鏡，直到2018 年才加入EHT，並參與3C 279 的觀測。目前的觀測資料正在處理中，EHT 團隊期待格陵蘭望遠鏡的加入，能夠揭露更多噴流結構的細節，能讓天文學破解出黑洞周遭的祕密。如此的結果將會大大的提升臺灣天文學家在黑洞研究的地位，也讓臺灣獨特的貢獻受到世人的重視。
延伸閱讀
Jae-Young Kim et al., Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, Astronomy & Astrophysics, 2020.