什麼是黑洞、事件視界?這裡一次解答

楊文君採訪


「事件視界望遠鏡(EHT)」計畫成功拍到人類史上首次的超大質量黑洞影像,10日晚間正式公布,中研院表示,這個黑洞位於M87星系,距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。(中研院提供)
「事件視界望遠鏡(EHT)」計畫成功拍到人類史上首次的超大質量黑洞影像,10日晚間正式公布,中研院表示,這個黑洞位於M87星系,距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。(中研院提供)

全球首張黑洞影像曝光,不但是天文學界的重要里程碑,也是人類非凡成就,但什麼是黑洞?什麼是事件視界?為何研究黑洞如此重要?中研院也整理了Q&A為大家解答!

問題一:甚麼是「事件視界」(Event Horizon)?

黑洞是個全暗的物體,光線不能從黑洞逃離。黑洞的邊界叫做「事件視界」,事件視界大小約僅本身所投陰影的五分之一,直徑不到400億公里(地球的直徑是12,742 公里)。而「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope,EHT)即是一個國際合作計畫,計畫宗旨是要獲得史上首張黑洞圖像。

問題二:黑洞不是不發光嗎?那怎麼拍攝黑洞的影像?

其實,我們無法拍攝黑洞「本身」,因為黑洞是全暗的物體,但是,藉由拍攝黑洞的陰影,可以間接證實黑洞的存在。事件視界望遠鏡是拍攝黑洞的「陰影」。

黑洞會形成很大的重力場,當光線受到極強的重力偏轉時,會形成「陰影」或「剪影」,而將此暗影形成圖像即為事件視界望遠鏡的目標。事件視界望遠鏡拍攝的圖像,是使用反捲積技術並經過仔細處理而產生的(而非傳統的「攝影」技術)。直接成像事件視界區域是計畫主要目標。

問題三:「事件視界望遠鏡」計畫如何拍攝黑洞影像?

只有在光譜的微波波段才可能取得黑洞極清晰圖像,因此,事件視界望遠鏡讓分佈在地球表面各處的電波望遠鏡(又稱天線)共同合作,結合成一個如地球一樣大的虛擬望遠鏡,才有可能看到黑洞。

此外,為了避免受水氣影響,這些望遠鏡都放置在高海拔、乾燥大氣的偏遠地點。望遠鏡所記錄的信號經組合、處理後,獲得最終圖像。

在這個高挑戰的計畫中需要各方面專家,包括天線優化、接收機開發、信號相關、校準、成像中的反卷積法、黑洞理論、噴流、廣義相對論、計算模擬等。全球超過200位科學家齊聚在此,就是為了實現史上第一次的黑洞成像。

問題四:黑洞真的存在嗎?

事件視界望遠鏡(EHT)觀測的目標是驗證黑洞是否存在。這件任務有助於檢驗愛因斯坦廣義相對論的研究。如果觀測結果肯定相對論的理論,代表我們的科學發展走在正確的路上。但是,如果觀測結果與理論不符(例如,無法證明黑洞存在),那目前我們所擁有的知識跟理論,就必須大幅修改。 

問題五:為什麼研究黑洞很重要?從EHT觀察中可以學到什麼? 

EHT的目標不僅是要證明黑洞存在,也希望了解黑洞和落入黑洞中的周圍氣體。其他天文觀測已有充分間接證據證明黑洞存在,我們已經知道,在黑洞相對較遠的距離內,它們會藉重力影響周圍環境,而廣義相對論則對此有很好的解釋。然而目前為止,我們從未直接觀察到距黑洞非常近的地方,那是距離事件視界非常近的地方,EHT旨在填補我們經驗知識中這部分的空白。

黑洞在我們宇宙中是一個特殊的地方,預計能解釋宇宙最大和最小尺度最基本的兩種理論(廣義相對論和量子物理)在黑洞這個地方將直接接觸。雖然這些理論在各自尺度中表現非常出色,但我們目前還不了解如何創建一個普遍而單一的物理理論,可詳細解釋黑洞物理學。(例如,會產生的所謂「信息悖論」)。

除了基礎物理理論之外,黑洞周圍的電漿物理學方面也還有許多細節,科學家尚未能完全理解。被引入黑洞的熱氣體的性質雖然尚無法完全弄清楚,但是,它們對於解釋黑洞圖像至關重要,因為望遠鏡所觀察到的「輻射發光電漿」即是由它所產生。實際上,這種發光的熱氣體照亮了黑洞周圍的時空形狀。 EHT觀測將幫助我們進一步了解這些氣體的性質和行為。

問題六:臺灣在此項研究扮演的角色?

EHT的研究結果將會是人類第一次能夠驗證黑洞是否存在於宇宙之間的理論。同時,這也是愛因斯坦的廣義相對論問世百年後,對該理論最終的科學驗證,臺灣的天文學家、工程師、整個研究團隊,以及其它地區的合作夥伴們,一同擴展人類最尖端、最前緣的科學知識。在考量我們目前的能力、人力、及經濟範圍,以及主流科學的進展下,臺灣的天文學者投入的研究資源與人力,成就能夠帶給人類知識突破性發展。這是臺灣身為地球村的一份子,帶給國際社會最有價值的貢獻。 

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