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2017-04-15 [ASWEB]什麼是「全球毫米波特長基線陣列」和「事件視界望遠鏡」?

 
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  在我們的銀河系中心藏匿著一頭宇宙怪獸,是名叫做「人馬座A星」的一個超大質量黑洞,擁有4百萬個太陽的質量,重力強大到連光也無法逃脫它的拉力。但若不是它的重力這麼大,連附近的恆星和氣體都要受它擺布,我們其實根本也無法知道它的存在!現在,有個了不起的新嘗試將啟動,準備要去幫這個從未被看見過的黑洞「事件視界」拍下一張照片。(這裡先賣個關子不解釋事件視界,因為隨後幾週會有一篇專門的短文介紹!)

  本來,在電波望遠鏡之間有兩個國際合作計畫,個別都有一群夥伴相連結,各自構成了「和地球一樣大」的「虛擬」望遠鏡︰事件視界望遠鏡(EHT)和全球毫米波特長基線陣列(GMVA),兩者差別僅在於觀測頻段的波長稍微不同,前者是1.3毫米,後者是3毫米。在這兩個合作計畫也一起合作之後,更壯觀的望遠鏡連線形成了,遠自南極延伸抵達歐洲、太平洋上的夏威夷,共同努力的觀測目標就是銀河系中心的超大質量黑洞。

  為了達成這個目標,天文學家運用了一種特長基線干涉法的技術,讓千里外的望遠鏡也能互連結成一體,好像一個單一的望遠鏡一樣。這種合作技術能取得較高的解析力,那是遠超過任何單一望遠鏡可做到的,這個解析力的數字比哈伯太空望遠鏡還更強兩千倍。這麼強的解析力在偵測黑洞時的確不可少,因為,這個黑洞雖然體積約有太陽的20倍,但是距離地球卻有2萬6000光年遠啊。

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全球擺陣大合作希望能取得第一張黑洞陰影影像
圖中綠色線條代表EHT網路,黃色則代表GMVA網路。Credit: ESO/O. Furtak

  聽過「幫黑洞拍張照」嗎?這個計畫的籌畫已有相當時日,但直到近幾年,相關技術的進度才終於趕上了這個極具野心的計畫。當然,電波望遠鏡中的重量級選手加入這個計畫也有利於計劃落實,這位選手就是:阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡,ALMA。

  ALMA建造的位址是在智利的阿塔卡瑪沙漠,是個海拔高達5千米的高原沙漠,以ALMA數量多達66座的高精度天線和先進接收機來說,有它加入EHT/GMVA合作計畫之後,立刻把整體靈敏度提高了10倍。ALMA無疑是一座天文學界最先進的設施,但是在加入合作以前,它還是按部就班地升級了好幾次。到目前為止,在ALMA上已完成安裝的專門設備包括:新的硬碟(儲存未來觀測將產生的海量資料)、高度精確的原子鐘,這座原子鐘是ALMA和整個電波望遠鏡大網路相連的關鍵(這個大網路有個專門名稱叫做VLBI,中文稱為「特長基線干涉陣列」)。

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位於靜僻荒野之境的ALMA陣列望遠鏡。透過這張全景圖,我們可以認識ALMA所在位置的地理特徵,那是智利安地斯山脈的查南脫高原,海拔有5千公尺之高。Credit: ESO/B. Tafreshi (twanight.org) - http://eso.org/public/images/potw1252a/

  這個破天荒的觀測,即將在2017年4月份展開,GMVA陣營在3毫米波段的觀測是第一棒,時間從4月1日開始,將進行到4月4日;第二棒是EHT陣營在1.3毫米波段的觀測,時間將從4月5日開始,進行到4月14日。觀測以後,接棒的是資料處理,龐大的資料量處理起來需要不少時間,預計2017年底可以得到結果。

  儘管這個計畫沒有必勝的保證,但是科學上它富於極多令人嚮往的可能,令人興奮,這合作還有其他一些一流的目標,包括印證愛因斯坦的廣義相對論--愛因斯坦曾預測,在黑洞周圍會環繞著一個「幾近圓形的陰影」。其他的科學目的還包括,了解物質如何在黑洞周圍「吸積」(物理上有很重要意義的一個詞,意思類似累積、變多),以及從黑洞以極快速度噴出的氣體噴流,是怎麼形成的。

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黑洞陰影的數值模擬圖:廣義相對論預測陰影應該是像中間圖形那樣,呈圓形,但是黑洞除了圓臉的可能以外,也可能是長臉(如左圖),或寬臉(如右圖)。未來EHT拍到的黑洞陰影影像可以幫我們印證一下看看。Credit: D. Psaltis and A. Broderick. - http://www.eventhorizontelescope.org/science/general_relativity.html

  以上就是本系列大餐的第一份料理包,接下來歡迎大家一起加入天文觀光之旅,除了獲取新知,也認識到,要做出頂尖的研究,經歷的過程是什麼、並看看追求頂尖成果,偶爾相隨著,可能是一些風險。

  之後的短文中,還將探討一些常見問題:大家都對黑洞存有好奇,到底黑洞是有意思在哪裡呢 ?電波望遠鏡如何看見宇宙呢?我們對銀河系中心的那個黑洞知道多少呢?下次見。

本文轉載自中研院天聞網, 2017.04.05, 胡佳伶

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