M87黑洞最新影像曝!台主導「格陵蘭望遠鏡」 證明黑洞持續存在

「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)國際合作團隊,在台灣主導的「格陵蘭望遠鏡」(Greenland Telescope,簡稱GLT)的助攻下,首度公布2018年4月觀測到的M87星系中心黑洞最新影像,驗證黑洞光環與2017年所觀測的大小相同,確認了廣義相對論的預測,而環的最亮處位置明顯偏轉,與理論預測黑洞周圍紊流的變異性一致,令天文學界相當振奮,相關研究於昨(18)日發表在國際期刊《天文與天文物理》。

「格陵蘭望遠鏡」是由台灣主導的國際合作計畫,於2010年正式啟動,並於2018年建造完成5個月後即加入「事件視界望遠鏡」計畫,我國團隊成員包括中央研究院天文及天文物理研究所、台灣師範大學與中山大學。

中研院天文所副研究員淺田圭一表示,這次「格陵蘭望遠鏡」 參與「事件視界望遠鏡」觀測,以全新的資料證實M87黑洞周圍的光環,是這項國際合作計畫的重要里程碑。

EHT團隊於2017年拍攝到M87星系超大質量黑洞,並於2019年發表人類史上首張黑洞影像。影像顯示,距離地球5500萬光年的M87黑洞周圍有一個亮環,其中環底部比較亮。後續分析資料更揭示了M87黑洞的偏振光結構,使團隊得以深入了解黑洞周圍的磁場幾何形狀和電漿性質。

2017年M87黑洞觀測結果被廣泛分析,為黑洞直接成像的時代開啟新頁,透過研究黑洞天文物理,在基礎科學層面上檢驗廣義相對論。

2018年的資料分析運用了8種獨立的成像和模擬技術,所觀測到的M87黑洞影像與2017年非常相似,有一個相同大小的亮環,中心區域較暗,環的一側較亮。

新黑洞影像同樣是我們熟悉的明亮戒指環,圍繞著廣義相對論預測的「黑洞陰影」,令人興奮的是與 2017 年照片相比,環的亮度峰值以逆時針方向移動約 30 度,來到 5 點鐘位置,代表黑洞周圍湍流物質的變化與理論預測一致。

美國加州噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)博士後研究員約克(Nitika Yadlapalli Yurk)說明,黑洞的顯著特性之一,是其半徑僅取決於其質量。由於M87黑洞不會快速吸積物質(這會增加其質量),廣義相對論預測環的直徑應保持不變。而2017到2018年觀測影像所呈現的直徑大小穩定性,確認了廣義相對論對黑洞的預測,相當令人興奮。

中研院天文所博士後研究紀柏特(Britt Jeter)表示,過往對M87黑洞的觀測已表明暗影結構每年都有變化,但精度較低。「環周圍那些混亂的吸積盤發射光,將使環的最亮處搖擺不定;我們隨時間觀察到的光影搖擺程度,可用來測試黑洞周圍磁場和電漿環境的理論。」

中研院天文所研究員陳明堂表示,這篇論文是台灣對基礎科學研究做出的獨特貢獻,而格陵蘭望遠鏡未來將以更高頻率進行觀測,帶領科學家們揭示黑洞暗影中最難以捉摸的光子環,為黑洞天文物理取得突破性成就。

黑洞的定義
光線是宇宙中跑得最快的東西。對於質量為M,半徑為r 的天體,當脫離速度等於光速Vesc =C,那麼r =RSch =2GM/C2。RSch稱為「史瓦茲半徑」,在此範圍內連光線都無法逃脫,我們從外面因此看不到裡面的任何東西,就是俗稱的「黑洞」。以史瓦茲半徑定義的球面,稱為「事件視界」(event horizon),我們無法得知視界內的情形。

事件視界望遠鏡

事件視界望遠鏡鏡(Event Horizon Telescope,EHT)以獲取黑洞影像為首要目標建立。
本次成果是在2017年由 8 座散落各地的電波望遠鏡所組成,由於橫跨地球各處,它們形成了與地球一樣大的虛擬陣列式望遠鏡,形成前所未有的解析力。

台灣扮演的關鍵角色

「8 座望遠鏡中,有 3 座是由中研院支援運轉(SMA、ALMA 及 JCMT),臺灣因此活躍於 EHT 合作之中。在本次突破性發現中臺灣扮演關鍵的角色,為首次觀測成像的四個團隊之一。」

延伸閱讀:《史上首張直接觀測到的黑洞影像First Direct Image of a Black Hole》

國立中央大學和余紀忠文教基金會聯合主辦的「余紀忠講座」,2022年邀請中央研究院賀曾樸院士主講〈史上首張直接觀測到的黑洞影像〉(First Direct Image of a Black Hole)。賀院士曾任中央研究院天文所籌備處主任及所長,協助該院參與世界幾個大型且重要的望遠鏡計畫,目前擔任東亞天文臺臺長。

 

**補充資料:中研院天文所於1月19日19點於台灣大學天文數學館國際會議廳舉行「探索虛空:M87一年的演化之謎」,線上直播網址 https://www.youtube.com/watch?v=4ryXvLWO4cQ&ab_channel=EPOASIAA

 

 

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