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2017-05-04 [ASWEB]事件視界,趣點在哪?

 
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  大家都知道黑洞是一奇特天體,不僅挑戰人類心智,也彎曲了現實。黑洞把物質塞在極小的空間,產生一種擁有巨大引力的天體。

  環繞在這個奇特天體外有一邊界區,若越境進入邊界裡,任何東西都掙脫不了黑洞的箝制,「光」也不例外,所敘述的就是「事件視界」。除了吸入大量物質,事件視界還吸引了全世界天文學家極大注意。這是什麼名堂啊?

  如同前一篇介紹提過的,直接觀測黑洞並不可能,既然沒有發出任何光子,天文望遠鏡也就什麼都做不了(當然也有唯一的例外,即少許的霍金幅射。)不過,只要透過黑洞周圍明亮發光的物質,天文學家還是可以知道很多。

  當物質一旦對黑洞的引力招架不住時,它有可能直接被吸進去,或者,像浴缸在排水時那樣,以環繞中心旋轉方式下溜。事件視界附近的引力極強大,令環繞在周圍的物質之運動速度脫離了牛頓力學所描述,而達到相對論描述的速度(接近光速)。因為物質之間摩擦加熱,溫度變得非常高,成為發光電漿。靠近事件視界的光子被扯入一個幾乎圓形的軌道,形成一圈明亮光環,反襯出事件視界內部的黑影。

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這是以電腦模擬計算而取得的「吸積中的黑洞」圖像。事件視界的位置是在圖的中心。能看得到黑影,是藉環繞在事件視界外轉動之吸積盤的反襯。Credit: Bronzwaer/Davelaar/Moscibrodzka/Falcke/Radboud University

  愛因斯坦的廣義相對論曾預告過黑洞外面有「事件視界」。但目前為止,世界上的望遠鏡解析力都不夠高到能用來看黑洞,雖然說事件視界直徑有好幾百萬公里寬,黑洞仍然神隱中,這是因為它們通常距離我們極遙遠,並藏匿在大量的星際氣體塵埃之中。我們銀河系的超大質量黑洞(又稱為「人馬座A」),距離地球就有26,000光年遠,在天空裡只有一根針的針尖那麼大。

  透過把全球各地許多望遠鏡相連在一起的方式,「事件視界望遠鏡」和「全球毫米波特長基線干涉陣列」可取得的解析力,達到了能夠「察覺」到「人馬座A」這個「針尖」的任務。所以,這觀測有多令人興奮就不用多說了。再者,除了能實現仔細研究黑洞的目的以外,愛因斯坦的廣義相對論也可以受到檢驗。

  「說到愛因斯坦的廣義相對論,雖然很違反人的直觀經驗,但非常了不起的是,迄今一百年來,每次的檢驗它都通過。」「事件視界望遠鏡」的一位天文學家Ciriaco Goddi進一步強調:然而,「那些檢驗都不是在強重力場的條件下。」

  目前物理學領域正在為廣義相對論和量子力學似乎本質不相容的這個瓶頸,努力尋求突破。物理學者需要徹底考究清楚,這兩個理論究竟在哪裡有所重疊,又或者從哪裡開始各自為政。不過,傳統看法認為,黑洞的事件視界,是並沒辦法觀察到這個的;因為量子效應預計只有在質量比較小 (大約 10 微克) 的黑洞事件視界附近能看到,而目前我們並沒有證據能證明有這種黑洞存在;然而另外有些理論學者認為,即使是超大質量黑洞,在靠近黑洞的事件視界附近也會有偏離廣義相對論的現象發生,可喜的是,「事件視界望遠鏡」擁有可以觀測得到這種現象的潛力。

  天文學家還說,「如果愛因斯坦的預測在黑洞附近失準,也就是在重力最強大的地方預測出現偏差,那意味著一件事:我們需要一個新的重力理論,或者說,我們需要以新的方式描述時間和空間。」

  廣義相對論預測黑洞的陰影是圓形,不過,還有其他理論預測,黑洞也可能往縱向拉長(呈瘦長形),或往橫向拉長(呈寬扁形),因此研究黑洞陰影就可以印證廣義相對論和其他的重力理論。此外,由於黑洞直徑和質量成正比,所以觀測黑洞陰影也可以直接測量黑洞質量。

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這張資訊圖表透過電腦模擬圖像展現黑洞發出的噴流(亮紅色),和環繞在黑洞週圍的吸積盤。右側三個方框是電腦模擬計算得到「事件視界」陰影的可能形狀。Credit: ESO/N. Bartmann/A. Broderick/C.K. Chan/D. Psaltis/F. Ozel

  任職於ALMA 的天文學家 Violette Impellizzeri 另外做了補充說明,「我們認為在每個星系中心都有一個超大質量黑洞,然而黑洞內部運作方式仍然難以解釋。天文學家必須要問的是,為什麼每個星系中心都有一個超大質量黑洞?我們已經越來越清楚知道當星系在形成和演化時,黑洞有重大關鍵的影響,因此我們更需要掌握到黑洞、星系和宇宙之間的關聯,究竟是什麼。」

  透過「全球毫米波特長基線干涉陣列」和「事件視界望遠鏡」的特長基線干涉觀測,將會有驚人新發現,解決重力理論目前面對的迫切問題。

  我們已經來到這一系列介紹「全球毫米波特長基線干涉陣列」和「事件視界望遠鏡」的第三篇短文,下次將為大家介紹是電波望遠鏡的原理。

相關參考連結:中央研究院天文及天文物理研究所格陵蘭望遠鏡計畫

原文連結:http://www.eso.org/public/usa/outreach/first-picture-of-a-black-hole/blog/

本文轉載自中研院天聞網, 2017.05.04, 胡佳伶

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