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師大新聞

2022.0513

再揭黑洞之謎 物理系學者卜宏毅參與EHT國際合作計畫 銀河系中心黑洞照曝光

二見黑洞!中央研究院天文及天文物理研究所及國立臺灣師範大學物理系助理教授、理學院天文與重力中心科普組長、教育部玉山青年學者卜宏毅參與的「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)」國際合作計畫,在臺灣時間5月12日晚間舉行全球同步記者會,公布人類史上第二個黑洞影像「人馬座A星」(Sagittarius A*)超大質量黑洞影像,這也成為銀河系中心黑洞存在的「第一個直接觀測證據」。 卜宏毅指出,此黑洞從2017年就被觀測,雖較M87星系距地球較近,但因黑洞周圍氣體繞行迅速,更增添成像難度。

天文突破性發現 臺灣團隊深度參與

中研院指出,這是人類史上目前唯二的黑洞影像,人馬座A星的觀測與成像難度又更高,也直接證實銀河系的黑洞確實存在,預估未來十年內都不會再有這樣的發現。

「事件視界望遠鏡計畫」由全球8座電波望遠鏡連線,形成跟地球一樣大的虛擬望遠鏡,達到前所未有的高解析度。中研院作爲EHT計畫主要成員,支援本次觀測其中三座望遠鏡的建造與運作,以及影像校正與成像,這也是繼EHT在2019年發布首張黑洞影像後,臺灣研究團隊再扮演關鍵推手,展現全球頂尖的天文觀測實力。

解密銀河系中心的神祕天體:超大質量黑洞人馬座A星

中研院院長廖俊智表示,這次公布的人馬座A星黑洞影像,其實跟M87同時在2017年開始觀測,但人馬座A星比M87距離地球近兩千倍,質量則小了兩千倍,卻是銀河系中心的最大黑洞,也因人馬座A星質量較小,氣體在軌道周圍運轉速度也快很多,需要更高深的技術才能成像,因此此次科學成就又更顯著。

根據廣義相對論預測,黑洞事件視界外的強大重力,足以彎曲光子的運動軌跡,在幾乎圓形的黑暗球狀暗影外,會有一圈明亮的光環。中研院天文所夏威夷運轉處資深科學家、EHT計畫科學家包傑夫表示,這次公布的影像,捕捉到被強大黑洞重力彎曲的光線,亮環大小也吻合愛因斯坦的廣義相對論,將有助於進一步理解銀河系中心,以及此巨大黑洞如何與周圍環境相互作用。

史上第二次拍到黑洞 離地球更近

EHT團隊公布的銀河系中心超大質量黑洞人馬座A星,因銀河系中心氣體擾動迅速,讓人馬座A星的觀測難度比M87高出許多。距離地球5500萬光年的M87星系黑洞,其質量約為太陽的65億倍,人馬座A星雖然離地球較近,約2萬7000光年,質量約為太陽的400萬倍,但遠比觀測M87更加困難。

研究團隊指出,兩個黑洞附近氣體均因為黑洞重力而快速的繞行,但由於人馬座A星比M87黑洞小了兩千倍,「像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」,且收集到的龐大觀測訊號,須透過世界各地超級電腦多次模擬、調校,費時5年才得以成像。

銀河系中心氣體擾動迅速 比觀測M87難度更高 成像費時5年

臺師大物理系助理教授卜宏毅解釋,在黑洞周圍,物質環繞的時間尺度,較大的黑洞會較長,而事件視界望遠鏡的特長基線干涉技術觀測技術,比較能應付M87黑洞周圍物質的環繞速度,對於人馬座A星來說卻太慢。

卜宏毅說,以觀測一天來說,黑洞周圍物質已繞行銀河系中心黑洞多次,動態環境對觀測分析會造成相當大挑戰。此外,從地球觀測銀河系中心人馬座A星時,會穿過銀河系盤面,當中有大量氣體團塊,也會對影像造成干擾,因此EHT是克服重重困難才得到黑洞影像。

除了數據分析外,卜宏毅說,EHT團隊也考慮了銀河系中心黑洞本身可能具有的特徵,因此也運用模型探討,模擬重力、磁場、流體所共同造成可能的黑洞周圍環境。

卜宏毅表示,EHT進一步考慮黑洞系統電子跟磁場交互作用所發出輻射光線的可能性,準備超過180萬張黑洞影像,並根據模擬黑洞系統的影像與光譜特性,進一步利用11項對人馬座A星的觀測結果作為篩選條件,淘汰一些模型,最後留下的是最有可能用來描述觀測的模型。

卜宏毅也說,依照目前的解析度來看,能觀測的黑洞就只有2個,但即使是同樣的黑洞,在不同時刻觀察也可能有不同樣貌,以2019年公布的M87星系黑洞為例,在不同的時間點呈現的樣貌可能也會不一樣,也反映出黑洞周圍環境可能有所變化。

卜宏毅指出,要把黑洞拍得更清楚,除了要有更多望遠鏡成員加入外,若把EHT觀測頻率提高的話,解析能力也會增加,也可以看得更清楚,也可能可以看到宇宙中更小的黑洞。

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),網址為:https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results。(資料來源:中央研究院、中央社、聯合報 / 編輯:胡世澤 / 核稿:鄧麗君)