人类首张黑洞照片再升级,解读M87星系黑洞偏振光图片与后续

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)

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