對天文學造成那些重大影響?

如果要天文學界列舉「非到手不可」的追夢清單,「以相當於事件視界的角解析力直接觀測黑洞及其周遭」必然名列其中。黑洞是宇宙中最特別又有魅力的天體,極大量物質被塞在極小空間中,這樣極度違反規則的天體重力非常強,而環繞在黑洞外面的是「事件視界」,它形同黑洞邊界區,任何東西跨過這個邊界後,就無法掙脫黑洞的箝制,而且連光也不例外--黑洞會把所有我們藉以觀測的光都吸收掉--那如果什麼都看不到,又究竟該如何觀測黑洞?天文學家一向認為透過黑洞周圍明亮發光的物質,還是可以知道很多。

這是因為黑洞的重力會吸積物質到它附近,因此周圍通常都有一個吸積盤圍繞著。吸積盤極高熱且明亮,明亮的吸積盤與完全不反光的黑洞會形成一個非亮即暗的對比,因此我們可以在吸積盤上看到它反襯著事件視界內部的黑影,藉由觀測到這個陰暗無光區域的影像,便可證明黑洞存在。

除了直接取得超大質量黑洞的陰影影像以外,取得黑洞周遭環境的成像,亦可印證廣義相對論是否適用於強重力場,一世紀以來,廣義相對論已無一例外地通過許多次檢驗,證明它所預測的都正確,然而,天文物理學家相信,那些都不是在強重力場的條件下,因此,直接觀測有其必要。

現今天文學界雖已普遍認知在每個星系中心都有一個超大質量黑洞,然而黑洞內部運作方式仍然難以解釋。天文學家應該必須要問,為什麼每個星系中心都有一個超大質量黑洞?我們也已知,星系在形成和演化時黑洞具有重大關鍵影響,因此有必要掌握黑洞與星系乃至與宇宙的關聯,包括掌握黑洞內物質形成與吸積之機制、吸積盤形成、噴流加速、黑洞物理等。有一天當我們釐清黑洞的能源轉換率為什麼那麼高的時候,或許對我們發展能源科學也有一臂之力的幫助?

上述的每一項都是挑戰人類知識極限的重要議題,也蘊藏各種有潛力扭轉未來科學發展,促進人類生活的大研究。

M87星系中心黑洞的模擬。Credit: Monika Moscibrodzka (Radboud University)