為什麼要看黑洞?為何選用電波觀測?為什麼選擇M87來看它的黑洞?

問:為什麼要看黑洞影像?

答:黑洞是一種時空結構,也是一種奇怪的天體。根據理論預測黑洞的緻密,輻射,與噴流特性,天文學家慢慢接受黑洞真實存在於宇宙之中。但是,人們但從未看過黑洞的“近照”。這次黑洞影像的意義除了驗證黑洞是否存在,我們對黑洞的認識是否正確,也驗證廣義相對論在強重力場下的正確性。這次對M87星系中心黑洞的“近照”,也提供了M87星系中心黑洞質量估計,以及黑洞附近噴流產生的物理細節。

(卜宏毅 "人類史上首張黑洞近照:懶人包i/" 提供)

問:為何用電波觀測黑洞剪影?

答:選定要觀測的黑洞目標後,根據天體的輻射特性,為能不被黑洞周圍的發光物質擋住,並看見黑洞的陰影 (如下圖,請參考圖說),必須要挑選適當的觀測頻率

EHT的主要觀測頻率是在電波波段,頻率230GHz (波長1.3mm)。在此觀測頻率下,黑洞附近的結構相對而言是帶有點透明度的,光可以穿得過。

頻率和波長決定後,該怎麼知道望遠鏡要多大才夠大呢?望遠鏡的解析度,大致可用觀測的波長 "λ",除以望遠鏡的大小 "d" 來估計。當觀測頻率與波長決定之後,利用上述 λ/d~40微角秒的要求,估計出我們大約需要六千公里以上的超級望遠鏡,才能達到足夠的角解析度(angular resolution)來看到在"M87星系"裡的黑洞(的陰影)。

(卜宏毅 "人類史上首張黑洞近照:懶人包i/" 提供)

此圖模擬受到發光物質所包圍的黑洞於不同觀測頻率下所觀測到的影像。由圖例可知,在適當的觀測頻率下(例如下方圖),黑洞造成的影子可以看得到。

此範例是一個假想的極端情況:是一快速旋轉之黑洞,且其旋轉軸垂直於觀察者,右下圖的中心深色陰影區不但中心位置稍微往右移動,其形狀也產生變化(呈"D"狀) ,造成這種不對稱的原理,請參考黑洞看起來是什麼樣子呢? 一文 (由卜宏毅提供)

問:為什麼是M87?為什麼選M87?

答:天體在天空中的張角由大小與距離決定。根據所有已知黑洞的大小與距離,M87星系中心的超大質量黑洞在天空中的張角是第二大的,大約有40個微角秒(40μas; 1角秒=1as=1/3600角度)的黑洞(約是一個硬幣放在月球上時的張角)。排行第一的是位在我們銀河系中心的黑洞,約有50個微角秒。在地球上觀測銀河系中心時, 會受到銀河系盤面星系介質造成的散射影響。EHT團隊目前還在分析對銀河系中心黑洞的觀測資料。

(卜宏毅 "人類史上首張黑洞近照:懶人包i/" 提供)

問:為什麼照片看起來是模糊的?

答:EHT利用電波望遠鏡和甚大陣列干涉儀(VLBI; Very Long Baseline Interferometry)技術用約230GHz的頻率觀測黑洞,並“分析得出”影像。影像的顏色不具意義(人眼無法看見電波),僅影像的相對亮暗對應了電磁波輻射能量的大小。因此黑洞的照片並非像是如同手機拍照般“拍到的”。

(卜宏毅 "人類史上首張黑洞近照:懶人包i/" 提供)

問:為什麼不是「太陽系」級別的望遠鏡而只是「地球」級大小的望遠鏡?

答:EHT目前全由地面型望遠鏡觀測站組成,的確受限於地球尺度,最大僅只能與地球同大。如果我們發射人造衛星,確實可以增加角分辨率達三到四倍左右,對於取得鄰近星系超大質量黑洞更精細圖像會有幫助,也有列入EHT計畫未來十年的遠程計畫。

(取自 GitHub Satellite - Featured Session - In the Shadow of the Black Hole 影片,約50m20s處

問:2019年的中研院新聞稿中有提到特長基線干涉法利用地球自轉幫忙填補空隙,但科學團隊的說明也提到這伴隨而來的是而需大費周章加以處理的海量資料到底地球自轉對EHT是有幫助還是沒幫助呢?

答:我們做校準前要將數據合併在一起,實際上一定必須考慮地自轉的因素,望遠鏡彼此間隨地球轉動表觀上也不斷移動。但我們在成像時確實也在利用地球自轉提供必要資料,因為它幫我們增加訊號覆蓋,填補了望遠鏡陣列中本來沒有望遠鏡的空白區域部分。用地球自轉,望遠鏡跟著地球轉,讓我們可掃描到目標天體不同部分、尺度和方向,獲得多一點數據資料。

(取自 GitHub Satellite - Featured Session - In the Shadow of the Black Hole 影片,約50m50s處

問:什麼是黑洞?

答:黑洞是宇宙中物質與能量極度壓縮的區域。該區域自身產生的重力(內向力)大於任何物理能量 的外向力。因此,任何進入該區域的物質與能量,包括光,都無法逃脫。故此而它是「黑」的。因為它在概念上和水槽底部那個會把水漏光的「洞」也滿像的,所以被稱為「洞」。黑洞的存在會影響其周圍環境,使時空變形並加熱周圍物質而發光。廣義相對論預測,這種高熱物質將「照亮」遭時空強烈扭曲的區域─導致「陰影」出現。

(EHT FAQ + 新聞稿)

問:黑洞真的存在嗎 ?

答:由於黑洞的存在對其周圍環境會有影響,使時空變形並加熱周圍物質而發光。廣義相對論預測,這種高熱物質將「照亮」遭時空強烈扭曲的區域,導致「陰影」出現。 EHT (Event Horizon Telescope, 事件視界望遠鏡)觀測目標是宇宙裡最神秘的一個現象 -- 黑洞,觀測到的結果就是大家所看到的黑洞陰影那張圖像,這是黑洞存在的視覺直接證據。

問:按照定義,黑洞不發出任何光。事實上,它將掉在黑洞上面的東西全部捕捉,既然如此,我們要如何觀測一個不發光的東西?

答:黑洞本身的確不發出任何的光線,不過,EHT觀測的是黑洞鄰近的區域,環繞在這個區域四周的氣體因為受黑洞吸引,運動速度很快,是會發光的,觀測這個區域,EHT可以觀測到黑洞重力造成的形狀結構。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:黑洞真的不發光嗎?

答:據推測,黑洞會發出由量子波動引起的非常暗淡的光,也就是霍金輻射。此外,事實上,在黑洞鄰近區域中確實有由微型類星體或活躍星系核發出的強烈的光。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:黑洞如何「誕生」?

答:黑洞誕生的最簡單方法是大質量恆星終了時會超新星爆炸、塌縮,在死掉恆星的中心會是一個黑洞。還有其他方法也會產生黑洞,比如大霹靂後的物質波動。

要獲得一個超大質量的黑洞,需要許多「恆星級」的(小)黑洞和大量物質。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:如何觀測黑洞?

答:黑洞不能直接觀測,但可以間接觀測從它附近發出的輻射,通常包括吸積盤和強力噴流。你可以從中心看到電波噴流,X射線和伽馬射線,我們甚至可以看到黑洞的陰影。當然,去偵測兩個黑洞合併時產生的重力波,也是一種方法。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:銀河系裡除了人馬座A*之外還有更多的黑洞嗎?

答:根據預測,任何星系中都有許多恆星質量級別的黑洞。那種黑洞是大質量恆星爆發成為超新星後剩餘的殘骸。我們研究超大質量黑洞是因為從地球上看,超大質量黑洞的表觀大小比那些恆星級黑洞大得多,更容易研究。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:太陽系附近是否有任何恆星級質量的黑洞,能用EHT偵測它們嗎?

答:比位在銀心的人馬座A*離太陽系更近的恆星級黑洞,很多。然而,黑洞的大小和質量成正比,和超大質量黑比起來,這些恆星級黑洞看起來也小得多。即便我們能用EHT望遠鏡偵測到這些恆星級黑洞的存在,環繞在恆星級黑洞事件視界周圍那樣小的尺度的光線,我們還無法有足夠的解析力去看到。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:離我們最近的黑洞到底在哪裡?

答:我們所知道的離地球最近的黑洞是" V616 Monocerotis",距離有 3000光年,有11個太陽質量,環繞著一個K星旋轉,約0.5個太陽質量,週期為8小時。再加一倍的距離,則還有一個"天鵝座X-1"(15太陽質量),繞一O型星(30太陽質量)旋轉,週期約為6天。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:黑洞會消失嗎?

答:經過一段時間後,由於所謂的霍金輻射,一切都會蒸發掉。對於微型黑洞而言,僅需幾秒。對於像山一樣大的黑洞,需要20億年。對於尺度像太陽一樣大的大質量黑洞,讓它消失需要10的67次方年。 (蒸發時間與體積成正比,即與立方質量成正比)。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:黑洞裡面是什麼?

答:我們不知道,因為我們無法前往探訪那裡是什麼。

黑洞裡面,物質可能被壓縮,或者都通過奇點去往......但是誰知道呢?大家都可以自行猜測一番,畢竟沒有人可以去了又回來告訴我們,黑洞那裡究竟有什麼。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:要是掉入黑洞會變怎樣?

答:對於一個小黑洞你會遭受到所謂的“義大利麵條效應”(這是從英文翻譯過來的一個科學術語),因為從腳下拉你的力量比從頭部拉扯你的力更強,所以你真會被拉成長條狀的義大利麵。但若掉入的是大型黑洞,則不會受到這種效應影響,但我猜你會先看不見,因為你的「光線探測器」(又名眼睛)無法得到光線--光線全都跑進黑洞了。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:我們可以創造人造黑洞嗎?

答:有些人聲稱這是可能的,譬如藉由讓粒子在一個大型加速器裡碰撞,但這樣小的黑洞很快就會蒸發,可能幾毫秒或幾秒。憑我們現有的技術,模擬恆星碰撞尚且不可能,所以我們無法創造人工黑洞。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:EHT科學團隊的工作有很重要嗎?是「僅只」想證明黑洞存在?還是EHT能幫助我們更好地理解這些黑洞怪物,和宇宙?

答:EHT這個科學合作的目標是不僅去證明黑洞的存在,還要了解黑洞和在其周圍落入其中的氣體。其他天文觀測中有充分的間接證據證明黑洞存在,而且我們已經知道,在和黑洞距離相對較遠之處,黑洞會藉由重力影響環境,而廣義相對論則對此有很好的解釋。到目前為止從未直接觀察到的,是離黑洞的事件視界非常近的地方,EHT旨在填補我們在經驗知識中對此的空白。

除了基本物理理論之外,黑洞周圍的電漿物理學還有許多細節科學家尚未完全理解。被吸入黑洞的熱氣體性質如何,我們還不完全清楚,但這些熱氣體對於解釋黑洞圖像至關重要,因為望遠鏡觀測到的發光輻射是來自這些發光的電漿。實際上,這種發光的熱氣體照亮了黑洞周圍的時空形狀。 EHT觀測將幫助我們更好地了解這些條件下的氣體的性質和行為。

黑洞在宇宙裡是很特別的一個地方。天文物理學家認為,解釋宇宙在最大和最小尺度上如何運作的兩個最基本理論,廣義相對論(大尺度),和量子物理學(極小尺度),將在黑洞裏「王見王」直面對決。雖然這兩種理論在其各自的尺度中都表現出色,但我們目前還不了解如何創建一個普遍適用的單一物理理論,能好好地解釋黑洞物理學。EHT 科學團隊後續會發表這方面的研究。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:公布的第一張黑洞影像,有亮有暗,那是為什麼?

答:由於都卜勒效應,黑洞影像呈現南北不對稱,南亮北暗。這也意味著, M87中心黑洞南部朝自旋方向靠近地球,北邊朝自旋方向遠離地球,從地球上來看,M87黑洞呈順時針運動。

問:被黑洞吸進去的物質轉速很快嗎?有多快?

答:黑洞會吸入周遭物質,黑洞的周圍有一圈薄薄的盤面,叫吸積盤,以M87黑洞為例,這個吸積盤在靠近事件視界處繞著黑洞轉動,速度大約是4~30天繞一圈。

問:2019年4月EHT團隊公布的照片中,黑洞周圍的光,源自什麼?

答:那是吸積盤,盤上是電離狀態的氣體物質。順帶一提,黑洞吸積氣體的速率約等於每10年吞下一個太陽質量(也可換算而等於每天吃下91個地球質量)。

問:黑洞會變大嗎?會把宇宙吸進去嗎?

答:黑洞大小會隨著吞吃下去的物質量變多而增加,但是把宇宙吸進去可能不致於,有許多恆星繞著黑洞轉可是一直還沒掉進去。物質必須非常靠近黑洞才可能被黑洞吸進去。雖然大家很習慣用黑洞會溪東西這樣的形容,但更正確的說法並不是「吸」進去,而是物質掉落在黑洞表面上。