继2019年4月人类首度拍到M87星系中心的黑洞照片之后，2021年3月事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）成功从复杂资料取得新图片，也就是M87黑洞的“偏振光”图片。这张照片和两年前有什么不同？台湾研究团队做出了哪些贡献？科学家追求高分辨率的黑洞图片，又对黑洞研究有什么重要意义呢？ “研之有物”专访中央研究院天文及天文物理所松下聪树研究员，和大家介绍这张新的黑洞偏振光图片，以及未来黑洞观测持续努力的方向。
黑洞照片不只是“甜甜圈”
还记得2019年4月人类首度拍到第一张黑洞照片的感动吗？那张M87星系中心的黑洞图片，有点模糊又有点有趣，当时很多人开玩笑称为“甜甜圈”或“猫眼”，网络迷因创作层出不穷。到了2021年3月，事件视界望远镜发布了最新成果：M87星系中心黑洞的“偏振光”图片，照片看起来似乎又更清楚了。如果要解读这张新“丹麦甜甜圈”，就必须先了解“偏振光”。
2021年3月事件视界望远镜公布M87星系中心黑洞的偏振光图片，条纹是光的偏振方向。 （Source：EHT Collaboration）
黑洞偏振光图片为何长这样？
首先，什么是偏振光？松下聪树简单示范：拿一副太阳眼镜，放在手机屏幕和观测者（你）中间“过滤”光线。当镜片在某个特定角度时，我们可顺利看到手机画面；但是当镜片旋转到其他角度后，屏幕光线就会被挡住，无法透光。
背后原理就是光的“偏振”。光是电磁波，可沿垂直于行进方向的各个角度振荡。假如一束光只在特定方向振荡，那就是“偏振光”。手机发出的光线通常是偏振光（因为屏幕出厂都会贴偏光片），如果我们放上同样具偏振片功能的太阳眼镜，就必须把镜片旋转到电磁波振荡的方向，光线才能穿透。
光是一种电磁波，如果光有特定的振荡方向，就称为“偏振光”。手机发出的光线一般为偏振光，如果通过偏光太阳眼镜观看，只能在某个特定角度才能让光通过，其他角度则不透光。 （Source：EHT Collaboration and Fiks Film）
其次，测量光偏振方向，可帮助科学家了解黑洞周围磁场。因为黑洞附近的电浆带有磁场，这些电浆发出的光，偏振方向通常都是垂直于磁场。从观测结果取得偏振光资料，科学家就可解析黑洞磁场。那么，要如何解读这张“丹麦甜甜圈”照片的“纹路”呢？
所谓“纹路”，就是黑洞周围光线的特定偏振方向。但为什么光偏振方向会这么特别？根据最新研究指出，M87星系中心的黑洞自转轴是指向外太空并远离地球的，从地表观测黑洞，自转方向为顺时钟，连带让周围光线的偏振方向变成逆时钟（因必须与周围磁场方向垂直），也就是照片类似丹麦甜甜圈的“纹路”啰。请见下图。
M87星系中心黑洞的自转方向（顺时钟）与周围光线偏振方向（逆时钟）刚好相应，这特定偏振方向，也就形成黑洞照片类似丹麦甜甜圈的特殊纹路。 （Source：EHT Collaboration and Crazybridge Studios）
从偏振光了解周围磁场之后，科学家就可以进一步解析黑洞。目前科学家已知M87星系中心的黑洞拥有狭长笔直的喷流，从黑洞旁边约0.01光年的距离，延伸到数千光年外范围。喷流要跨越这么庞大的空间，又能保持笔直，需要非常庞大的能量才能办到。天文学家推测，这可能要归功于黑洞周围的磁场。
M87黑洞的多波段图片。EHT拍到黑洞事件视界附近的“甜甜圈”图片，而其他波段的望远镜则拍到黑洞附近狭长而笔直的喷流。 （Source：中研院天文所）
M87黑洞偏振光图片，可能看起来只是一张较清楚的“甜甜圈”，然而实际上要得到黑洞偏振光图片非常困难。这次偏振光图片和2019年公布的首张黑洞照片皆来自同次观测，但要耗费更多时间处理资料。因此2019年图片仅显示黑洞周围的光强度，偏振光图片则要到2021年才公布。
松下聪树说明，因黑洞附近光的偏振比例通常不到10%，所以偏振信号大概只有光强度的百分之一，非常微弱。且所有资料必须仔细校正，去除仪器产生的偏振，确保信号来自天体。观测所用到的每个望远镜各有不同特征，天文学家需确保全部资料完成校正，是非常艰难的任务。
台湾团队在黑洞观测的贡献
松下聪树指出，台湾对黑洞观测有重大贡献。目前公布的黑洞图片是2017年观测结果，由7座望远镜共同完成，而台湾参与其中三座望远镜运行，分别是阿塔卡马大型毫米及次毫米波数组（ALMA）、次毫米波数组（SMA）及麦克斯威尔望远镜（JCMT）。加上2018年顺利上线的格陵兰望远镜（GLT），台湾总共贡献四座望远镜的运营与仪器技术。
资料分析方面，台湾研究团队也举足轻重。松下聪树特别提到中研院天文所博士后研究朴钟浩的贡献──负责撰写资料处理程序，完成非常困难的校正工作，于是能产生这幅偏振光图片。另外，中山大学郭政育教授、师范大学卜宏毅教授都参与了此次研究。中研院参与EHT的人员，还包括浅田圭一参与科学委员会，包杰夫（Geoffrey Bower）担任EHT计划科学家，松下聪树本人则也领导工作团队。
松下聪树说，台湾能参与EHT的关键，在于“我们在台湾有世界尖端的科技”，因此对于海外研究单位来说有相对大影响力。
2009年之后，事件视界望远镜的天线成员数量陆续增加，台湾总共贡献四座望远镜运营与仪器技术。 （Source：中研院天文所）
拍到黑洞图片之后呢？
事件视界望远镜（EHT）任务并不是拍到黑洞就收工，随着更多仪器上线，未来有望揭开更多黑洞的奥秘。
最初2017年观测，也就是目前公布的黑洞图片，总共使用七座天线。到了2018年格陵兰望远镜开始加入，由于格陵兰和其他天线距离遥远，观测基线拉长，因此增加约50%分辨率。
2021年4月，事件视界望远镜又完成一次新观测。这次有美国基特峰天文台（Kitt Peak National Observatory）和法国的北方扩展毫米数组（NOEMA）加入，观测的分辨率和灵敏度都提高了。
松下聪树说明，目前公布的黑洞图片，只看到黑洞旁边的磁场。新观测有望侦测到外围弥漫气体的磁场，帮助我们了解黑洞、磁场与喷流的关系。科学家正在紧锣密鼓分析这批资料，期待会有好的结果。
此外，目前EHT正在测试更高频率的观测。原先观测220GHz的电波（波长1.3毫米），过几年后有机会让所有天线做345GHz观测（波长0.87毫米），波长比之前短了将近一半，空间分辨率也会显著提高。
我们目前看到的“甜甜圈”，分辨率只有3×3像素。2018年加上格陵兰望远镜，分辨率可到5×5像素。未来频率提高到345GHz之后，可再提升到7×7或8×8像素。
还有另一个希望，就是将格陵兰望远镜搬到山上，天气条件更好，有机会进行更高频率（660GHz）观测，分辨率可再上升至15×15像素。高达660GHz频率的电磁波通常会被水蒸汽吸收，需要水气很少的地方才能观测，甚至连夏威夷也只有很少数日子有这种条件。松下聪树说，智利够高且干燥，格陵兰够冷，能满足观测条件。
高频率观测是下一代计划，还没人有把握能够成功，不过松下聪树正面看待。他说，刚开始组织EHT时，“大家都说拍摄黑洞图片不可能，但我们让它变成可能了。”
松下聪树提到，未来在格陵兰望远镜和高频观测的技术支持下，黑洞照片分辨率有望提升到15×15像素。
为何追求高分辨率图片？
松下聪树说明，根据理论模型，黑洞应该有许多更细致的结构，但是在目前公布的图片中仍然糊成一团。一旦有更高分辨率的图片，就有机会辨认出事件视界的精确位置，以及分辨流出和流入的气体。黑洞能量的来源是流入气体，高分辨率观测可告诉我们，黑洞怎么吃进气体，以及磁场扮演的角色。
M87黑洞观测图片与理论模型比较，可预期未来观测分辨率提高之后，有机会看到更多细致的结构。 （Source：S. Issaoun, M. Mościbrodzka with Polarimetry WG and OWG）
不仅如此，黑洞的半径和质量呈简单的线性关系，若能精确测得黑洞的半径，则可以了解黑洞如何增长，甚至推测早期宇宙的黑洞如何诞生。此外，黑洞旋转会拖拽时空，造成图片的些微变化，高分辨率的观测可分辨出来。
松下聪树说：“黑洞的直接图片，打开天文与物理新领域。这不是结束，只是开始。”目前我们看到的“甜甜圈”图片只是开始，未来还精彩可期。
（本文由研之有物授权转载；首图来源：Flickr/Daniel SteelmanCC BY 2.0）