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大家好,歡迎來到太平洋時報的新專欄

我是【世界筆記】專欄小編施閎騰(Kevin Stevanus)。我想大家應該都會認同這個世界是千姿百態,無奇不有的,而我們人類身在其中只能通過我們有限的能力去探索這個奇妙的世界。古人將他們的寶貴經驗與智慧記錄下來,使得人類智慧結晶可以傳承下去,造福後代。不過人類經過千古年來的探索,發現當我們嘗試對這個世界有更深一步的理解時,還會發掘更多我們不知道的事。本專欄也是以此為主旨,帶大家一起來探索這個花花世界吧!

首張黑洞照片背後

不知道大家有沒有在夜深人靜的時候,抬起頭來靜靜地欣賞星空。相信在這個諮詢爆炸的時代,想看星空?拿出手機說一句:“Hey Google”就可以看到了,用了兩秒鐘看完了,“哇好漂亮”。然後又回到繁忙的生活日常。另外就是都市化的原因,日常生活中很難隨時就找到無光害的環境去欣賞星空。兒時的我曾一度夢想著當一位太空人,翱翔星際,也很喜歡仰望夜空數星星,幻想著一天可以飛到其中一顆去跟外星人問好。因此每次心情不好時就會在夜裡抬頭仰望天空,即使在充滿光害的環境下也硬是數出幾顆。每當坐在無光害的星空下,慢慢欣賞著宏偉的宇宙美景,會發覺自己是多麼的渺小,心裡再大的煩惱也會被無限縮小,拋到腦後。

我們肉眼所能觀測到的“星星”也就是宇宙中會發亮的恆星,太陽就是太陽系的恆星。恆星的特點就是有著很大的質量,產生巨大的引力而形成自己的星系,有數顆行星圍著轉。橫行的另一個特點就是會持續散發極度的高溫,因此而產生人類肉眼能識別的光線。不過在宇宙中,不是所有的天體都會發出可見光讓我們觀測到。像在不久前發佈其照片的黑洞就是如此。在這裡細心的讀者肯定會發現我們一般拍照都需要光線才拍得到,可在沒有可見光的情況下怎麼拍得到呢?還有如果我們看不到,又怎麼知道它的存在呢?

一百多年前,愛因斯坦提出了著名的廣義相對論,把人類的眼界提高到了四維空間,四維空間就是把我們現實所能感知到的立體空間加上了時間軸,而前段所提到天體產生的巨大引力則會造成時空扭曲。根據這一理論演算出了很多重要預測,黑洞也是其中之一,是由德國天文學家卡爾‧史瓦西通過計算愛因斯坦的引力場方程解的一個真空解。如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,在這個質點的周圍形成一個界限— “視界”,處於這個範圍內的任何事物都會被那一項項的引力吸往質點中心,其引力連光都沒辦法逃離, 以此形成人類視野無法看到的界限,就是所謂的事件視界。這個奇異的天體就被稱之為“黑洞”

一個恆星的引力強度取決於那個恆星的質量,質量越大引力越強,能牽制住的天體就會更多。當一個恆星的質量過於龐大就會導致恆星塌陷,在坍塌中不斷增強引力於一點,形成一個質量和引力無限大的黑洞,吞噬者周圍的一切。這種連光都逃不掉的奇異天體是無法用傳統的光學望遠鏡觀測到,因此黑洞這一理論發佈之後,天文學界一直沒有辦法觀測到這個奇異天體來做為這一理論的有力證據。

雖然我們沒辦法觀測到黑洞本身,但是我們可以通過觀測黑洞周圍的吸積盤來觀測到黑洞的輪廓。所謂的吸積盤就是當物質靠近黑洞的引力範圍時,強大的引力會將其往黑洞中心吸去,這個過程稱之為吸積。在吸積過程中任何物質都會被摧毀成霧狀,在被吸入事件視界前,會圍繞著黑洞高速旋轉形成盤狀結構,也就是吸積盤。這些物質在高速旋轉時會加熱到數十億度的高溫,發出強烈輻射。天文學家可以通過觀測黑洞周圍的輻射來看到事件視界的剪影。

觀測黑洞的波長為一毫米左右,因為氣體在這一波段的輻射最明亮,這個波長的電磁波也不會在到達地球之前被干擾。但是要在這個波長下為黑洞成像需要口徑和地球一樣大的望遠鏡才能完成。當然如果是製造一個這麼大的望遠鏡是不可能的。天文界的解決方案就是啟動一個多國聯合望遠鏡項目:事件視界望遠鏡 Event Horizon Telescope(EHT)由世界各地的望遠鏡組成同步網絡,形成一個口徑和地球一樣大的虛擬望遠鏡,每個天文觀測站都會接收並記錄原子與黑洞的附近的電磁波信號。再將世界各地天文觀測站所所記錄的數據整合起來進行數據分析和成像處理。這個項目所記錄的數據量非常龐大,所以只能用硬盤記錄數據,各個觀測站再把這些硬盤送到美國位於麻省的海斯塔克觀測站和在德國波恩的馬克思普朗克電波天文研究站進行數據處理。

EHT項目有十二個天文臺參與,分別位於智利、西班牙、夏威夷、美國、加拿大、墨西哥、南極,並於2017年四月湊齊了足夠的參與成員,是整個陣容可以達到事件視界的分辨率。其中八座望遠鏡對準人馬座A進行為期五天的觀測。在今年四月發佈的黑洞照片是2017年觀測結果,上文提過每座望遠鏡所產生的數據量是很龐大的,大約在5000TB左右,整個陣容搜集了超過7000TB的數據,裝滿將近2000個硬盤,即使通過超級電腦來解析與需要花上兩年的時間。

這次拍到的黑洞照是天文學界的一個重大突破,不僅這事了愛因斯坦的廣義相對論,對於黑洞是否真實存在的爭議也終於得到結論。這個項目為人類探索太空向前邁出了一大步。



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