【立專欄】如何「看見」銀河系中心的黑洞?EHT國際合作計畫解答

黑洞觀測和電波天文學的發展密切相關,最早在1933年Karl Jansky就透過天線意外發現銀河系中心有未知的電波訊號,開啟了後續電波天文學和電波望遠鏡的發展。

要看的到

為什麼要用電波望遠鏡看黑洞,而不是用光學望遠鏡看?無線電波和可見光的主要差別是波長,可見光的波長在0.5微米左右,EHT的電波望遠鏡觀測波長是1毫米,兩者大約相差2,000倍。

為了接收到遙遠星系的訊號,我們必須選擇不受塵埃影響的波長,電波的波長比灰塵要大得多,因此可以穿透塵埃,收到來自銀河系中心的訊號。反之,可見光很容易就被塵埃擋住。

要看清楚

由於波長和望遠鏡的「視力」(角解析度)有關,波長愈小、角解析度越好。因此波長不能太大,否則會導致最終影像解析度不足,也影響天線精確度。在技術和建置成本考量下,EHT選擇次毫米波波長(0.5毫米-1毫米),1毫米是目前最適合的觀測波長。

此外,望遠鏡口徑也是影響角解析度的因子,口徑越大、角解析度越好。但是我們不可能做出和地球一樣大的望遠鏡,為了讓地表有限的電波望遠鏡模擬出巨大望遠鏡的效果,必須使用特長基線干涉(Very-long-baseline interferometry, VLBI)技術。

用有限資源完成不可能任務

VLBI技術採用口徑合成(Aperture synthesis)的方式,當地球自轉時,地表上的望遠鏡可以在不同時間逐漸涵蓋接收範圍,目的是讓世界各地的EHT望遠鏡陣列產生等同於地球直徑般的巨大望遠鏡效果。

這意味著我們要從有限的視野去看黑洞,除了確保每個望遠鏡的訊號要同步(原子鐘、同步器)、收訊號要夠準(超導體接收器),也要相當瞭解可能產生的偏誤,例如地球自轉、大氣層影響、星際散射等,逐步修正數據。天文學家已經有一套成熟的除錯方法,將混亂的原始資料校正梳理成我們看到的黑洞影像。

本次公布的銀河系中心黑洞影像來自2017年的觀測,由於銀河系距離較近,研究團隊需要排除眾多干擾和錯誤訊號,因此到2022年才正式公開影像。

拍到銀河系中心的黑洞有什麼用處呢?我們將可以驗證廣義相對論,同時檢視2020年諾貝爾物理獎獲獎者Andrea Ghez 和Reinhard Genzel的銀河系中心黑洞推論是否正確。更進一步,可以比較M87星系中心黑洞與銀河系中心黑洞的差異和物理現象,將人類對黑洞的認知更往前推進。

左起臺灣師範大學物理系卜宏毅助理教授、中央研究院天文及天文物理研究所通信研究員賀曾樸院士、中央研究院天文及天文物理研究所彭威禮所長、中研院廖俊智院長、科技部羅夢凡司長、中央研究院天文及天文物理研究所郭駿毅博士、中央研究院天文及天文物理研究所黃智威博士。(科技部、中研院提供)

【本文由科技部、中研院提供】
※關於EHT
國際合作計畫
「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」為中央研究院天文及天文物理研究所參與的國際合作計畫,支援本次觀測其中3座望遠鏡的建造與運作,以及影像校正與成像。於2022年5月12日公布銀河系中心超大質量黑洞的第一張影像,這也是人類史上看到的第二個黑洞,此成果也是繼EHT於2019年發布首張黑洞影像後,臺灣團隊再次扮演關鍵推手,展現全球頂尖的天文觀測實力。本次EHT黑洞影像觀測成果,集結全球上百個研究機構、超過300名研究人員共同參與。論文亦已於今年5月12日刊登在《天文物理期刊通訊》(The Astrophysical Journal)
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