關於史上首張黑洞照片，這些是你需要的科普資料

人類歷史上首張黑洞照片揭曉。台北時間4月10日21時，全球六地（布魯塞爾、聖地亞哥、上海、台北、東京和華盛頓）聯合召開新聞發佈會，公佈這一重大科學成果。

中央研究院院長廖俊智指出，此為史上第一張超大質量黑洞影像，「這是一個空前的紀錄」。全球八個參與此計畫的觀測站中，中研院天文所參與三個觀測站，負責其中四個望遠鏡的建設與運轉。他希望透過此次記者會，告訴國人，台灣在世界重要的科學研究之中，占有一席之地。

▲ 電影《星際效應》當中的黑洞，周圍的亮環是由氣體構成的吸積盤片

問：台灣在EHT計畫中參與了那些部分？

「台灣在本世紀重要發現之一佔有一席之地」中研院長廖俊智表示，EHT計畫透過多個望遠鏡陣列，形成一個直徑跟地球一樣大的望遠鏡，其拍攝的解析度可以解析鄰近黑洞的陰影。

廖俊智指出，參與EHT的8座望遠鏡中，其中3座由中研院支援運轉，包括在夏威夷、東亞天文台和智利的望遠鏡，中研院也是首次觀測成像的4個參與團隊之一，除了中研院天文所團隊的投入，也感謝科技部和中山科學研究院的支持協助，讓台灣在這個重要的科學發現中佔有一席之地，也為人類知識帶來突破性發展。

EHT合作計畫共有來自世界各地200多位研究人員參與，依照不同專長類別分成多組團隊，而中研院團隊除了支援望遠鏡的運轉，還提出觀測計畫，並負責資料成像處理和模型電腦模擬。

 

 

問：什麼是黑洞？

答：根據愛因斯坦廣義相對論引力場方程式的計算，如果大量物質集中於空間一點，奇點周圍會形成時空扭曲的「視界」，一旦進入這個臨界點，連光子也無法逃逸。

這個預測在1916年被提出來，不過，直到1967年，普林斯頓大學核物理學家約翰·惠勒才在一場講座裡首次使用了「黑洞」（black hole）這個詞彙用以取代從前的「重力完全塌縮的星球」，並迅速流傳開來。

 

問：既然看不見，怎麼拍黑洞的照片？

答：雖然科學家們看不到黑洞的本體，但可以一直追溯到光子消失的「視界」，這是我們能「看到」的極限。

黑洞周圍的確會存在一些發光的現象，比如黑洞在吃掉周圍的恆星時，會將恆星的氣體撕扯到身邊，形成一個旋轉的吸積盤。黑洞有時候也會「打嗝」，一部分吸積氣體會沿轉動方向被拋射出去，形成噴流。

吸積盤和噴流都會因氣體摩擦而產生明亮的光線，以及其他頻段的輻射。

 

問：怎麼尋找黑洞？

答：科學家們可以透過黑洞對周圍天體的影響來間接地感受到它的存在，尤其是它巨大的引力造成的時空扭曲，就像可以透過月亮的繞行軌道和速度來間接推測地球的質量。另外，剛才提到的吸積盤和噴流會產生發光現象，伴隨其他頻段的輻射，以及，黑洞與其他天體或另一個黑洞的相互作用會產生大量引力波，也是可探測的線索。

問：有確認存在的黑洞嗎？

答：有。人類探測到的第一例引力波訊號，就是由雙黑洞併合產生的。

人類發現的第一個強有力的黑洞候選天體是1964年發現的天鵝座X-1，距離地球約6000光年。天鵝座X-1有一個正在被它吃掉的「舞伴」，但伴星的質量卻比它本身更加大，引發了廣泛的爭議，其身份長期懸而不決，霍金都為此打過賭（並輸掉了）。科學家們後來測得天鵝座X-1的質量約為14.8個太陽，視界半徑300公里，應該是一個「胃口」非常小的黑洞。

目前，科學家們更為關注的一類黑洞候選系統是軟X射線瞬變源。這類系統包含一個小質量的舞伴，通常處於寧靜態，但會出現間歇性的X射線爆發現象，間隔時間從數月到數十年不等。間歇性爆發的時候，就是探測黑洞的好時機。

根據理論計算，銀河系中應該存在上千萬個恆星量級的黑洞，現在得到確認的只有20多個。 

問：對黑洞的研究始於何時？

答：一百多年前，愛因斯坦提出廣義相對論，將時間和空間結合為一個四維的時空，並提出引力可視為時空的扭曲。這一理論做出了不少重要預言，其中之一便是：當一個物體的質量不斷塌縮，就能隱蔽在事件視界（event horizon) 之內——在這一黑洞的「勢力範圍」內，引力強大到連光都無法逃脫。

1916年，德國天文學家卡爾‧史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質集中於空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——「視界」一旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這種「不可思議的天體」被美國物理學家約翰‧阿奇博爾德‧惠勒命名為「黑洞」。 

問：黑洞有多少種？

按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。

按物理性質劃分，根據黑洞本身的物理特性質量，角動量，電荷劃分，可以將黑洞分為四類。

（Ⅰ）不旋轉不帶電荷的黑洞

（Ⅱ）不旋轉帶電黑洞

（Ⅲ）旋轉不帶電黑洞

（Ⅳ）一般黑洞

（Ⅴ）雙星黑洞

 

問：為何黑洞照片是紅色的？

黑洞照片首次面世，很多人在激動興奮的同時又有些疑惑？說好的是黑洞，為啥照片是紅色的？其實，拍黑洞的望遠鏡收集到的不是日常的可見光，而是一種波長更長的亞毫米波，本身是沒有顏色的區別的。說白了，照片的紅色是後期處理的效果，你也可以理解為一種「照騙」了。

 

問：黑洞的照片為啥這樣模糊？

黑洞固然神秘，但它的照片和光學照片的清晰度問題一樣，根源在於解析率。儘管我們現在的亞毫米望遠鏡基線已經達到了1萬公里，但空間解析度剛達到黑洞視界面的尺寸，所以在科學家們觀測的有限區域內，就相當於只有有限的幾個像素。在真實的情況下，我們在照片中只能看到吸積盤上的幾個亮斑而已。

 

問：黑洞的闇影圖像代表了什麼？

黑洞照片展示了一個中心為黑色的明亮環狀結構，看上去有點像甜甜圈，其黑色部分是黑洞投下的「闇影」，明亮部分是繞黑洞高速旋轉的吸積盤。

廣義相對論預言，由於黑洞的存在，我們將會看到中心區域存在一個由於黑洞視界而形成的陰影，其周圍環繞一個由吸積或噴流輻射造成的如新月狀的光環，由於黑洞的自旋及與觀測者視線方向的不同，光環的大小約為4.8-5.2倍史瓦西半徑(註：史瓦西半徑指沒有自旋的黑洞的事件視界半徑)。

 

問：此次拍攝的是哪個黑洞？

本次首先公佈的是星系M87的照片，別著急，銀河系中心的黑洞照片還在數據處理中。

從2017年4月5日開始，國際合作的天文計畫（Event Horizon Telescope，EHT）開始對兩個特殊天體進行觀測：距離地球25000光年，位於銀河系核心人馬座A，以及距離地球5300萬光年的M87室女座星雲。觀測的目標不是常規的天體，而是兩個疑似的超大質量黑洞。黑洞正前所未有的暴露在人類的視網膜中。

問：怎麼拍出解析度這麼高的照片？

答：全球望遠鏡組成陣列，聯合觀測，形成一個有效口徑等於地球直徑的大望遠鏡。這個虛擬的大望遠鏡叫做「事件視界望遠鏡」（EHT），由8台望遠鏡組成。分別是：南極望遠鏡（South Pole Telescope）；位於智利的阿塔卡馬大型毫米波陣(Atacama Large Millimeter Array，ALMA）；位於智利的阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡（Atacama Pathfinder Experiment）；墨西哥的大型毫米波望遠鏡（Large Millimeter Telescope）；位於美國亞利桑那州的（Submillimeter Telescope）；位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope，JCMT）；位於夏威夷的次毫米波望遠鏡（Submillimeter Array）；位於西班牙的毫米波射電天文所的30米毫米波望遠鏡。它們在2017年4月對兩個黑洞目標進行了聯合觀測。

從2018年起，又有格陵蘭島望遠鏡、位於法國的IRAM NOEMA天文台和位於美國的基特峰國立天文台加入後續的研究和校準工作。

全球一共60多個研究機構參與了研究，其中也包括中國科學院下屬的上海天文台、雲南天文台等機構，以及華中科技大學、南京大學、中山大學、北京大學、中國科學院大學，還有台灣大學等各高校。這也是為什麼上海和台北兩地也在聯合舉辦新聞發佈會之中。

問：2017年拍的照片，為什麼現在才公佈？

答：黑洞照片「拍」起來難，「洗」出來也難。虛擬的大望遠鏡陣列並非直接拍出了黑洞的圖像，而是給出了許多數據，必須經歷複雜的電腦處理過程。其中還有些缺失或模糊的部分，需要科學家們拼圖。

此外，在2017年4月的聯合觀測以後，研究團隊還進行了一些數據收集和校準的工作。