地球:自然

不可或缺!|拍攝黑洞歷史意義重大,台灣貢獻關鍵技術!

關於黑洞內的秘密,在距離地球約26,000光年的地方一直是一個神秘的存在,經過長達7年的研究後,人類首次捕捉的黑洞樣貌將呈現在世界眼前,也就在台北時間2019年4月10日晚上21點悄悄的解開黑洞的身世之謎。

此次觀測是在為位於人馬座A8*及M87銀河系中央,超大質量黑洞,觀測方式卻不容易,由橫跨世界12國、共34組科學家的研究團隊,成立「事件視界望遠鏡」,採用模擬技術將原本需要用像整個地球大口徑的望眼鏡,從八個地方的天文望眼鏡聯合起來形成一個網絡,分別為美國、智利、格陵蘭、墨西哥、西班牙和南極等地的陣列天線組成,其中最主要的望遠鏡分別為夏威夷的次毫米波陣列望遠(SubMillimeter Array, SMA)、智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA)與台灣和哈佛大學團隊於2017年共同架設的格陵蘭望遠鏡,而關鍵的電子機械技術就是來自台灣。

歷史成就1:黑洞接收電波成像

2019年4月9日,事件視界望遠鏡計畫(EHT)發布人類歷史上首次得到的超大質量黑洞成像。(Photo credit/EHT Collaboration)

天文觀測時一般就是觀測「星體的光波」、「電磁波變化」與「粒子」,但由於黑洞會吞噬周圍越過 「事件地平線」(event horizon) 的物體,因此過去無法對於黑洞進行觀測,只能觀測即將被黑洞吸入的物質,藉此推測黑洞的構造與樣貌,這類的觀測方式在天文學中被定位為「間接觀測」,而這次「事件視界望遠鏡」的成果,就是觀測黑洞的電磁波變化,黑洞的亮光是由於,強大的引力吸引住了很多氣體,在周圍高速旋轉產生了巨大的熱量,變成等離子體後發光,形成了光環。

台灣中研院與美國華盛頓、智利聖地牙哥、比利時布魯塞爾、日本東京與中國上海6國研究機構,對於此次觀測都有相當大的貢獻,而不論是在技術或是資訊分析,台灣的天文觀測實力也在國際上相當知名,由於各國都簽定保密條款,事先都不能先把這張歷史照片曝光,需同步舉行記者會,呈現事件視界望遠鏡的觀測成果,如今,事件視界望遠鏡將可能把這類研究成果再往前推進。

歷史成就2:觀測解析度因陣列天線增強

黑洞距離的距離遙遠,呈現體積非常小,以過去的觀測方式,解析度差、無法辨別訊號,非常容易誤判,如觀測黑洞來說,用一般人的視力為計算需高達300萬度才能視見黑洞,望遠鏡的直徑必須等同於地球直徑,「事件視界望遠鏡」為了克服這件事,遇到的波折相當多,需增加訊號,將天線設計成陣列,互相補強增加解析度,例如智利的ALMA就由66組陣列天線組成、夏威夷的SMA則有8組。

但仍然不足夠,因此在2年前,考慮新增望遠鏡地點必須離智利、夏威夷夠遠,而且環境必須適合觀測,最後決定在已有大氣觀測站設施的格陵蘭,由哈佛的團隊,在格陵蘭建設與智利ALMA同樣規格的陣列天線,環境則是重大挑戰,回憶在格陵蘭建設望遠鏡的過程,除了遠鏡的雛型並不是為了酷寒環境設計,因此設備必須全部更換成耐寒的裝置,才能適應格陵蘭嚴酷的天氣,讓元件完全固定不會損毀,運補的道路也極為不便,基礎設施有限,因此整個望遠鏡的線路都必需重新鋪設。

於EHT連線演習期間,工作團隊在格陵蘭空軍基地的格陵蘭望遠鏡控制室內合照。由左至右為陳明堂(天文所)、Nimesh Patel(史密松天文臺)、劉冠宇(天文所/東亞天文臺)、淺田圭一(天文所)及西岡宏朗(天文所)。(相片提供/中研院)

克服外在困難後,2017年格陵蘭望遠鏡正式服役,與智利、夏威夷,3個觀測點連接形成一個接近地球直徑的陣列式望遠鏡,藉此有效觀測超大質量黑洞。

歷史成就3:突破黑洞周邊環境

在整個宇宙中的黑洞是非常普偏的存在,而太陽繞著的銀河系中,推測具有上億個黑洞,在過去我們只能知道物體經過黑洞旁邊時發生了什麼事,此次中的照片,更精確解釋,是在電波望遠鏡接收到的資訊是科學數據,再藉由科學數據進行模擬而得出的影像,如果能把黑洞周邊的環境解釋的更清楚一點,對於未來的黑洞觀測與研究將會有更大的助益。

當前須突破的就是在格陵蘭的環境限制及運浦問題,能將設置在海拔較低的地方,搬移到海拔較高的山區,觀測時受到的干擾更小,或許能讓觀測成果更加顯著。

但相信這一次的突破,為整個歷史中增添了新的一章,也把人類長年來對於黑洞的謎題更推進了一步,慢慢帶領著大家揭曉這浩大的秘密。

格陵蘭望遠鏡於格陵蘭空軍基地現況照片。(相片提供/陳明堂)

圖片來源:網路/Google/陳明堂/中研院/
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