銀河系中心黑洞具有什麼特別意義

問:看到銀河系中心黑洞(即「人馬座A星」)有什麼特別意義?

答:銀河系只是個普通的星系,而如果在銀河系這麼普通的星系裡面有黑洞,這可能意味著所有星系的中心都藏有一個黑洞。銀河系中心的這個黑洞,天文學家長久以來已經習慣叫它「人馬座A星」,畢竟過去有滿長的時間並不能確定那到底是不是真的是個黑洞。它是個離我們最近的黑洞,距離比其他黑洞近約1,000倍,是探討超大質量黑洞各種現象的重要實驗室(質量達太陽質量1百萬倍以上才算所謂「超大」質量黑洞喔)。

其次,因為銀河系中心黑洞M87星系中心的黑洞小很多,我們實際上還可以對它的自旋加以研究

(20225月,賀曾樸院士提供)

問:到第二個黑洞有什麼特別意義?

答:在物理學和其他科學領域,人們總是擔心單一案例子有可能意味著它的成因只是比較特殊而已,那麼所發現和理解的東西在一般情況下可能就不是那麼重要。但找到第二個案例則通常意味著所發現之物可能是自然的「正常」或「共同」特徵。在2022年 5 月 12 日發表的結果表明,看得到的光環是黑洞的決定性特徵。這將為今後尋找和證明其他案例的方法奠定基準

此外,第二個案例也向天文學家表明:在最高角解析力和空間分辨率下獲取的黑洞陰影圖像,是直接研究黑洞的最佳方法。

(2022年5月,賀曾樸院士提供)

問:人馬座(「銀河系中心黑洞」)有多大

答:天體在天空中的張角由大小與距離決定。張角排行榜上名列第一是位在我們銀河系中心的人馬座A星黑洞,約50微角秒(50μas 1角秒=1as=1/3600角度大約等於放在月球上的一枚硬幣的張角)。在2019年發表的M87黑洞,張角略小於人馬座A星,排名第二,張角約40微角秒40μas

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

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,繞一圈的速度大約以幾週來算。人馬座A(「銀河系中心黑洞」)則是以幾分鐘來算,在轉動速度上兩者級別差滿多。

(EHT 提供,中研院天文所翻譯)

問:M87星系中心黑洞,和銀河系中心黑洞,兩者在觀測上各有什麼困難?

答:M87星系中心黑洞比銀河系中心黑洞質量大一千倍,距離遠兩千倍。兩個黑洞的事件視界大小在天空中也都夠大到足以用事件視界望遠鏡來觀測,但兩個黑洞具有不同特徵:

  • 在銀河系中心的黑洞,由於質量很明顯小很多,所以尺也小多,這讓銀河系中心的黑洞在觀測時間發生的變化也比較大。它大約每幾分鐘就轉一次。此外,銀河系中心的黑洞位在由銀盤平面內電漿體所組成的可變折射散屏的後面,這讓分析變得複雜。

  • M87星系中心的黑洞比銀河系中心黑洞質量大一千倍,距離遠兩千倍,且有一個強力噴流(發現於1918年)從中心區噴出,噴流造成輻射延展,而干涉儀只能偵測到其中一部分的電波。

綜上所述可知,二者特點各有不同,各帶來不同的挑戰。

(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: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)