【科技.未來】證愛因斯坦百年前理論 黑洞照片擴闊人類「視界」

撰文:
最後更新日期:

從來無人見過黑洞(black hole),卻幾乎公認黑洞存在。

在理論物理學家愛因斯坦(Albert Einstein)1916年發表「廣義相對論」以來,一直只有「間接」證據證明黑洞存在,但上周終於打破僵局,在華盛頓、布魯塞爾、聖地牙哥、東京、上海、台北六個城市同步舉行的新聞發布會上,「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope,EHT)項目總監Sheperd Doeleman宣布:

「黑洞是宇宙最神秘的東西,我們看到了本來以為看不到的。我們拍了一張黑洞照片。」

在愛因斯坦提出廣義相對論逾百年後,科學界終於首次「拍攝」到黑洞的「照片」。(美聯社)

由氣體和塵埃組成的橙黃色環狀光暈,包括中間黑色圓點,或許與我們對黑洞的想像有別,但這就是黑洞。這幅照片描繪的黑洞來自距離地球5,500光年的「室女座A」(Virgo A)星系中心,簡稱M87(Messier 87)星系;質量約為太陽的65億倍。照片發布後兩日,語言學家Larry Kimura把其命名為Powehi,取自夏威夷古曲,意謂「無窮創造的黑暗源頭」。

美國國家科學基金會(NSF)有份資助整個項目,其總監France Córdova在記者會上首次看到黑洞照片後感動落淚:「我們研究了黑洞很久,有時甚至忘記其實無人見過。這照片將會深深刻在大家的記憶中。」馬克斯普朗克電波天文研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)總監Michael Kramer則認為,這照片將承先啟後:「歷史書將會分為黑洞照片前和照片後。」

黑洞結構(來源:歐洲南方天文台,European Southern Observatory)

猶如拍月球上的橙

黑洞素來極難直接觀察,原因之一在於其「黑」。廣義相對論表示,質量極大的物質壓縮得夠小就會形成黑洞,其引力之大,會令任何墮入其「事件視界」(event horizon)的物質(包括光)都無法逃離,所以稱為黑洞。雖然黑洞本身不發光,但被黑洞吸入的物質會形成吸積盤(accretion disc),亦即照片上冬甩型光環,那是極高溫的氣體和塵埃圍繞黑洞口極高速旋轉而成,會產生電磁輻射,這些光被EHT觀察到,拍下來的照片就像黑洞「剪影」。

但是,黑洞一般離地球很遠,難以派太空人或機器觀察,要在地球拍攝黑洞照片也絕不容易。來自美國加州理工大學的EHT成員Katie Bouman就形容:「我們想拍的影像在天空上真的很小很小,那大概相當於你想拍攝一幅月球上的橙的照片。」

EHT為了取得黑洞影像作了不少事前功夫,例如墨西哥的「阿塔卡瑪大型毫米波天線陣」(ALMA)就花了6年升級。(Wikimedia Commons)

為了拍攝黑洞照片,EHT以波長1.3毫米(mm)無線波段連續觀察了M87星系數天,在這波長下影像會較明亮清晰,無線電波可穿過星系中心周遭的塵埃和氣體,但要成功,還需有相當於地球直徑尺寸的望遠鏡配合。為了取得強大「視力」,EHT使用「特長基線干涉測量法」(Very-long-baseline Interferometry,VLBI)技術,只要同時利用位於美國、西班牙、墨西哥、智利、南極洲六地共八組頂尖的無線電望遠鏡觀測,例如位於智利阿塔卡瑪的大型毫米波天線陣(ALMA)和南極望遠鏡等,就可變相合組成地球般大的望遠鏡,再把每個望遠鏡錄得的觀察數據整合,便可拍攝出黑洞照片。

Bouman在2016年的TED演講中透過比喻解釋這種方法:地球就好像disco中的旋轉鏡片球,不過,球面只剝落剩下八塊小鏡子:「這些剩下的鏡子代表那些有望遠鏡的地方。雖然我們只在少數有望遠鏡的地方收集光線,但當地球旋轉時我們可以不斷獲得一些新的測量數據。換言之,就像disco球旋轉時,那些鏡子也會改變位置,我們得以觀察不同面向的影像。」 而NSF則表示,VLBI可讓EHT的解析度高達20微角秒(micro-arcsecond),「視力」足以「在巴黎路邊咖啡店閱讀在紐約的報紙。」

位於夏威夷的次毫米波陣列望遠鏡(Submillimeter Array)是EHT網絡之一。是次披露位於M87的黑洞,也有科學家以夏威夷語「Powehi」稱之,意謂「無窮創造的黑暗源頭」。(美聯社)

Doeleman透露,NHT團隊早於2008年已拍過照片驗證相關概念,證明實驗可行。但要各個望遠鏡達到一定技術水平,需要大量準備。某些情況可能比較簡單,只是安裝少許額外零件設備,但有觀測站需要更換全新的感應器、鏡頭、圖像處理器等。智利的ALMA就花了六年才完成升級。「我們要發展一個電子系統,讓觀察站原本60條天線的訊號變成好像只有1條天線。」 Doeleman說。

要成功以VLBI拍攝黑洞照片,除有地利外,還要天時、人和。幾大洲上的天空必須同時清澈,八組相距甚遠的望遠鏡亦須準確協調同步,否則,各望遠鏡拍下的影像將難以整合。Bouman解釋:「試想像EHT是個大的拋物面鏡,當平行光進入盤面時,特定反射角度會使光同一時間抵達焦點。當EHT每個望遠鏡都能在時間上同步調校時,便能完美修正觀測到的資料。如果鏡子不穩定,譬如會振動的話,反射的光線將無法聚焦。對EHT而言,不穩定的訊號就像不穩定的鏡面。」

所以,各觀測地都使用了名為「氫邁射」(hydrogen maser)的原子鐘(atomic clocks),可準確到每1億年才誤差1秒。然後在2017年4月某個晚上,萬事俱備,「我們極之幸運,天氣很完美。」 EHT成員及倫敦大學學院研究員Ziri Younsi說。

以演算法重建真貌

當時,所拍到的原始數據高達5 PB(petabytes),「相當於聽五千年MP3檔,或根據我看到一項研究,是40,000人一生自拍照的總和。」 EHT成員Dan Marrone說。由於數據量龐大,不可能經網絡傳輸,只能直接把存有各處數據的硬碟,以海、陸、空三路運到德國波恩馬克斯普朗克電波天文研究所及美國麻省理工學院(MIT)的海斯塔克天文台(Haystack Observatory)整合。

用望遠鏡拍到只是完成了前半部,後半部要交由包括Bouman在內三十多名電腦科學家完成。各支望遠鏡雖然從M87星系收集無線電波,但單憑這些數據不足以構成完整照片,加上大氣干擾,Bouman曾向《華盛頓郵報》解釋,這表示「有無限數量的可能照片」,因此需要精密設計的演算法。事實上,上周釋出的照片是由幾張以演算法重建的圖像拼合而成:「我們模糊了兩張圖像,取其平均值,再與另一張圖像結合,才得出今天發布的照片。」

Bouman解釋:「我們要找辦法處理疏落、充滿雜訊的數據,嘗試找出造成這些測量數據的可能影像。我們最終要做的是加入一個『約束』,讓我們能說:『好,在眾多適合這些數據的可能影像中,這組是最有可能的。』困難之處在於,我們不想加入太多額外資訊,以致結果有偏見,只得出(我們)想看到的結果。」

為了避免出現偏見,EHT把電腦成像專家分成四個小組,每組研究不同的演算法,組與組之間不准通訊。「我們那組頗有信心,至少在我們的圖像中可看到環狀結構。當然,我們最初不知道其他小組會不會有同樣結果,直到我們全部齊集麻省,在會議第二天同時揭曉各自以數據重構的圖像,那可能是整個計劃最讓我興奮的一刻。當我看到每組都重建出光環,就知道這個結果十分可信。」 Bouman說。

愛因斯坦在1916年發表廣義相對論,在舊有牛頓力學之外提出另一種對引力的假設和詮釋,理論更前衛到連自己也質疑黑洞是否真實存在。(Wikimedia Commons)

愛因斯坦是對的

有關黑洞的現代理論,基本上源於愛因斯坦及其廣義相對論。然而,十八世紀英國牧師及自然哲學家米歇爾(John Michell)早於愛因斯坦出生前,已提出過稱為「暗星」(dark star)的類似想法。最初,他試圖以牛頓引力方程式來推測恆星質量,主要運用「逃逸速率」(escape velocity)的概念,即物件要逃離引力場所需速度(常用作計算火箭升空)。1783年,他寫信給好友卡文迪什(Henry Cavendish、氫元素發現者),提出可能存在巨大「暗星」,「所有從這恆星發出的光,都會受它龐大引力拉回到它本身」,因而不可能被看見。法國天文學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)也在1796年獨立提出過類似的暗星或黑洞想法。

愛因斯坦在1916年發表廣義相對論方程式,形容引力是時間和空間的扭曲。這種概念前衛到連愛因斯坦都有保留,認為自己的方程式只在理論上可能,質疑「在物理現實中並不存在」,但德國物理學家史瓦西(Karl Schwarzschild)卻從中獲得靈感:基於廣義相對論原則,物質可壓縮至密度無限大的極細一點,軌迹稱為奇點(singularity)。奇點會扭曲周遭空間,形成看不見邊界的球狀區域,任何東西都無法從中逃出。他還計算出當恆星塌縮到某個半徑,就會導致時空塌陷。

在愛因斯坦提出黑洞理論之前,也有科學家如John Michell和Pierre-Simon Laplace(圖)早於18世紀,提出過類似的「暗星」想法。(Wikimedia Commons)

支持愛因斯坦的證據陸續出現。在上世紀三十年代,年僅19歲的印度裔天體物理學家錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)推翻了恆星形成理論,其數學計算顯示,一些巨大恆星燃燒殆盡後會塌縮成高密度、吸光的物體,並推斷出質量至少為太陽1.4倍的恆星會無限塌縮。至五十年代,天文學家以無線電望遠鏡發現,貌似平靜的星系中卻從核心噴出無線電能量,能量遠超過一般讓恆星發光的熱核聚變。天體物理學家猜測,能量可能是物質跌進超巨大、高密度物體時所釋放。

及後,美國理論物理學家奧本海默(Robert Oppenheimer)引用愛因斯坦的理論證明奇點確實可以形成,只是他後來去了研發原子彈。到六十年代,另一位美國理論物理學家惠勒(John Wheeler)重新燃起對愛因斯坦理論的研究熱情,並提出以「黑洞」命名這些奇點,啟發新一代學者,霍金(Stephen Hawking)便是其中之一,他計算及提出黑洞消失的過程,後來被稱為「霍金輻射」(Hawking radiation)。史瓦西半徑(Schwarzschild radius)、錢德拉塞卡極限(Chandrasekhar limit)等也成為黑洞理論的重要術語。七十年代,天文學家從我們身處的銀河系中心探測到人馬座A*(Sagittarius A*)黑洞的無線電波訊號。在2016年鐳射干涉引力波天文台(LIGO)探測到一對黑洞碰撞產生的重力波後,幾乎推翻對黑洞真偽的質疑。

Kip Thorne探測出黑洞相撞的重力波而獲頒諾貝爾獎,也是電影《星際啟示錄》的顧問:「看到黑洞近乎圓形的陰影真的很夢幻。毫無疑問這就是M87中心的黑洞,無迹象顯示它與廣義相對論有所偏差。」(《星際啟示錄》劇照)

雖然這些後來的理論和發現,早已「間接」支持和肯定了愛因斯坦的設想,但科學界今次終於得以一窺黑洞的「真面目」,將更有力證實逾百年前提出的廣義相對論所言非虛,也再次肯定愛因斯坦在物理上的重要啟蒙貢獻。

照片中顯示的黑洞外貌與廣義相對論的預期脗合。EHT科學理事會主席Heino Falcke指出:「若沉浸於光亮區域,例如發光氣體光盤,我們預期黑洞會產生類似陰影的黑暗區域。這是愛因斯坦在廣義相對論預測,而我們從未見過。」澳洲昆士蘭大學天體物理學家Tamara Davis補充:「你可以看到光環一邊比另一邊亮,那是因為黑洞在旋轉,而較亮那邊是向着我們方向來。這現象都是相對論所預計的,若黑洞在轉,一邊會比另一邊更亮。」

愛因斯坦1916年發表的廣義相對論甚為前衛,在物理學理論和宇宙起源上有重要啟蒙,包括霍金在1974年提出的「霍金輻射」。黑洞照片引證廣義相對論,將對物理理論發展建立重要基礎。(路透社)

廣義相對論引發了有關宇宙的新概念:時空可以抖動、彎曲、撕開、延展、旋轉,甚至消失於黑洞之中。即使愛因斯坦自己不完全有信心,但黑洞照片證實他的假設,也有望提供更多訊息,有助回答宇宙未知之數,或提出新的問題。ETH董事會成員及東亞天文台台長賀曾樸說:「當我們能拍下黑洞陰影,我們可把觀察所得與很多電腦模型比較,包括空間扭曲、超熱物質和強磁力場的物理現象。觀察到的黑洞影像有很多特徵,這都意外地與我們理論上所理解的脗合,令我們對黑洞觀察的解讀更有信心,包括對黑洞質量的估算。」

黑洞照片的意義未必僅限於驗證廣義相對論。牛津大學天文學家Becky Smethurst指,某些情況下,黑洞周遭的壓力會大到物質到達事件視界前就被噴出,放出的能量會大大影響銀河整體。換言之,在事件視界發生的將會影響整個銀河中的原子分布,當然包括某些我們在地球上所知道對於生命重要的原子,意味黑洞甚至對我們的存在可能扮演重要角色。

繼續閱讀:【科技.未來】首張影像只是開端 黑洞研究如何走下去?

上文節錄自第158期《香港01》周報(2019年4月15日)《引證愛因斯坦百年前理論 黑洞照片擴闊人類「視界」》。

周報太空科技相關文章:

衛星互聯網重臨 新太空競賽經已展開?
互聯網衛星籠罩地球 加劇太空垃圾危機?

抗宇宙輻射 自製氨基酸 要咩基因先可以住火星?
改造基因適應太空 你有無資格生存?

各界重返月球 是競賽還是合作?
降低升空成本 貝索斯要太空探索遍地開花

更多周報文章︰【01周報專頁】
《香港01》周報,各大書報攤、OK便利店及Vango便利店有售。你亦可按此訂閱周報,閱讀更多深度報道。

【第一屆武博】從李小龍到黃飛鴻,香港武術電影世界聞名,武博的「光影武林」隧道,以專業武術角度解構七套精選電影的武打場面,讓觀眾從大銀幕以外,真正了解武術的應用及背後理念。熱愛武術電影的你,必撐!5月3至5日,眼界.決定境界,九展見! 按此立即購票按此瀏覽武博專頁



X
請使用下列任何一種瀏覽器瀏覽以達至最佳的用戶體驗:Google Chrome、Mozilla Firefox、Internet Explorer、Microsoft Edge 或Safari。為避免使用網頁時發生問題,請確保你的網頁瀏覽器已更新至最新版本。