【科技.未來】黑洞首張影像只是開端 研究要如何走下去?

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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。」

然而,這張黑洞影像又回答不了甚麼問題?EHT團隊及物理學界研究黑洞的下一步又是如何?

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)

上周多國同步發佈首張黑洞影像,引證了愛因斯坦提出的廣義相對論,在天體物理學理論上承先啟後意義極其重要。然而,是次觀察未能透視高深莫測的黑洞內部。Younsi指出:「黑洞不是事件視界,而是更裏面。可能是僅僅在事件視界之內,浮於該表面之下的某種東西,或是位於中心的奇點……或是一個環。照片仍未能解釋黑洞內部是怎樣的。」 Falcke補充:「對我來說,重大問題在於是否有朝一日可以超越這個限制。或許不可能,令人沮喪但也要接受。」

另一棘手之處是,今次觀察對黑洞質量的估算比以往利用運行氣體推測的數字大得多。若這表示舊有方法不再適用,科學家便需要找出原因。「我們以氣體動力學擴闊可接觸的星系種類,所以這可能是重要時刻,正確校準那個技術。」美國普林斯頓大學天體物理學家Jenny Greene說。正當新的數據有助找出黑洞質量,要找出M87事件視界延伸到多遠就較為麻煩。就如陰影或剪影邊界一般較模糊,照片中的黑圓亦然,到底它有多闊,取決於一些現時未知的參數,例如黑洞的旋轉速度、它在太空中確實的定向等。

首張黑洞影像只顯示了黑洞外部事件視界形成的陰影,黑洞內部結構、噴流原理等仍然成謎。

在比利時布魯塞爾的記者會上,荷蘭拉德堡德大學天體物理學家Monika Moscibrodzka也說,現時的觀測未夠仔細,不足以量度M87黑洞旋轉得有多快,而這正是黑洞的重要特徵。她期望未來更多研究可幫助理解黑洞如何射出巨大噴流。加拿大麥基爾大學(McGill University)物理系助理教授Daryl Haggard則指出,科學家仍不清楚黑洞如何產生強大噴流:「噴流、風、外流,似乎它們推出物質與吸入物質同樣在行。」觀察光、物質及M87事件視界或有助科學家揭開這神秘過程。

拍到黑洞照片仍無法完全解答所有宇宙和重力問題。《紐約時報》宇宙新聞記者Dennis Overbye就指出,現時宇宙中滿布大大小小的黑洞,很多都是巨大恆星燃燒殆盡後塌縮而成,其他隱藏於幾乎每個星系的中心,比太陽大數百萬或數十億倍。無人知道這些龐大黑洞如何形成,是大爆炸的原始能量造成,還是在宇宙之初極龐大的恆星塌縮並吞噬周遭一切而形成?加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)物理學家Avery Broderick在華盛頓的記者會上說:「我們知道一定有更多未知之數,黑洞只是我們尋找答案其中一處。」

為了取得更清晰的黑洞影像,EHT正擴展其望遠鏡網絡,早於2017年加入了格陵蘭望遠鏡(Greenland Telescope)。EHT項目總監Sheperd Doeleman更希望未來能拍到黑洞的實時影片。(Wikimedia Commons)

事實上,EHT在2017年開始觀察時有兩個目標黑洞。除了M87星系的黑洞外,另一個是位於銀河系中心的「人馬座A*」,質量估計是太陽的400萬倍,與地球距離約2.6萬光年。現時EHT正生成該黑洞的照片。「希望很快有成品。」 Doeleman形容,人馬座A*的黑洞「迷人、有趣」,但它比M87那黑洞小得多,較難「拍攝」其照片。德國法蘭克福大學(Goethe University Frankfurt)理論天體物理學家兼EHT成員Luciano Rezzolla補充,該黑洞比M87的黑洞小近1,000倍,每次觀察時,圍繞它運行多次的物質會產生不斷快速更改而非穩定的訊號,令數據難以解讀,並有可能得到更龐大的資訊。

EHT團隊希望未來以更短波長拍攝,使用更多望遠鏡,並將其中一個置於太空,以增加「虛擬望遠鏡」的大小和像素。事實上,EHT網絡正持續擴大,去年4月就在格陵蘭增設了一支望遠鏡,並展開了另一次對M87和銀河系黑洞的觀察,收集數據是2017年那次的兩倍。這些數據未有隨是次照片成果公開,但將用作進一步確認和監測這兩個黑洞的行為。同時,EHT正籌集資金在非洲建立據點,以填補現有網絡的一大空缺。他們計劃把一個直徑15米、已退役的望遠鏡,由智利運到非洲南部納米比亞桌山(Gamsberg Table Mountain)。現時EHT已分別在格陵蘭和法國阿爾卑斯山增設了望遠鏡。

天體物理學家Andrew Strominger希望,在首張黑洞影像誕生後,未來可拍到蟲洞。(模擬照片,Wikimedia Commons)

Doeleman表示,雖然拍攝黑洞照片過程艱辛,但能得到天文中最神秘物體的清晰照片絕對值得。他們的最終目標是要拍到黑洞的實時影片:「我們有信心由黑洞的定格影像進展到影片。我們不認為在未來十年會有任何物流問題足以限制我們。」沒有參與拍攝計劃的美國哈佛大學天體物理學家Andrew Strominger則希望,看到更多像M87一樣高速旋轉黑洞的細緻照片。據理論計算,若黑洞轉得夠快,會在時空形成蟲洞(wormhole),黑洞照片可助確認或反駁這些假設。Strominger期望未來有天,照片質素足以看到黑洞及其蟲洞:「這是科幻小說才有的事,我們將會看到。」

但對於物理或學術界以外的人,黑洞照片與日常生活有什麼關係?Overbye說:「它肯定可以為你日常生活提供背景脈絡,但它不會對市場有任何影響。它或許會觸動你的靈魂。然而,當愛因斯坦以廣義相對論形容他想像出的彈床宇宙時,並沒有想到它後來被用於你口袋中用作計時、精確告訴你在哪裏的設備,即是GPS(全球定位系統),但它們極之依賴廣義相對論(修正重力對時間作用)來告訴你在哪裏。所以有誰知道有什麼關係?」

重溫相關報道:【科技.未來】證愛因斯坦百年前理論 黑洞照片擴闊人類「視界」

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」》。

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