為何2017年拍的黑洞照片,要等2022年才公布?

臨狼
德尼思化雜誌社
6 min readJul 12, 2022

對於許多人來說,M87和Sgr A*的黑洞照片,看起來都差不多,兩者都是在2017年觀測的,為甚麼Sgr A*的照片要2022年才才公佈?Sgr A*的相片有甚麼特別?

credit: EHT Collaboration

一:觀測難度更大

示意圖(不按比例) ; credit : National Science Foundation

Sgr A* 位於銀河系中心,距離地球約26,000光年(註1);M87則是室女座的巨型橢圓星系,距離地球約5,500萬光年。雖然 Sgr A* 比 M87 距離地球近得多,但相比下觀測 Sgr A*卻更困難。

從上面的立體示意圖可見,觀測 SgrA*時需向銀河系內看,光已經過了銀河系盤面,受較高密度的星際物質影響;而觀測M87時向銀河系外/上看,路徑直接穿出銀河系盤面,光只經過了星際間較低密度的星際物質。

散射的示例圖。

當光穿過星際物質時,會發生 散射 Scattering 的現象。光會受到離化粒子(如電子)影響偏離它原有軌跡,「一點光」會因而變為「一團光」。觀測Sgr A* 就好像是在拍攝霓虹燈前的螢火蟲,背景過多的雜訊使主體亦難以被看見。科學家需要把收集的數據除去散射的影響後,才能還原真實的黑洞樣貌,但過程中難免會有失真。

二:成像難度更大

粒子圍繞會旋轉的黑洞的路徑,credit : wiki

M87跟Sgr A*都是會旋轉的黑洞。當黑洞旋轉時,其外沿的結構會隨時間改變。而我們稱需察覺其改變的時間為變異時間尺度 Variability timescales ,數值界於4 π tg 至 ~29.4 π tg之間( tg ≡ GM/c³)。

M87的重量為65億M☉(註2),而Sgr A* 的重量則為400萬 M☉,比M87輕多於1,500倍。代入算式可得出M87的變異時間尺度為約5日至1個月,而Sgr A* 則只有約4至30分鐘。M87較長的時間尺度確保了它在每次拍攝中都是不變的,但Sgr A*卻會在拍攝期間不斷變動,以致拍攝到的每張照片都不同。

截圖於上片。使用左邊不同條件下拍的照片,合成為右邊的影像。

由於每次拍下的 Sgr A* 照片都不同,我們只能像盲人摸象般看到局部的真實。為了解決這個問題,科學家用了很長時間來製作計算模型,以類似「求平均值」的方式,製成最終代表性的圖像。

以拍攝雪山為例,為了減低環境對照片的影響,我們可以選擇在不同條件下(例如不同時間、天氣等)都為其拍下一張照片,以合適的比例合成為一張照片。在保留共通點及褪走相異後,影像即更為接近真實。

組合影像可按其特徵分為四大類。(紅藍綠)三組相片皆有環狀結構,按光點位置再細分其組別。

使用 EHT 觀測黑洞,就像是在辨識一首使用缺鍵的鋼琴彈奏的歌曲,在缺漏處能存在無數可能性。如何才能正確地填滿缺失,便成為了一個難題。EHT 的團隊則把收集回來的觀測數據,以不同演算方式模擬出儘量多的影像,然後按照其特徵分類。當中三類的相片都呈現了環狀的結構,僅極少的影像沒有出現非常清晰的環狀,很大程度上確定了 Sgr A* 的環狀外型。

然而,「平均化」這個方案亦不是天衣無縫的,最大的壞處就是會模糊了影像。例如,按照都卜勒效應 Doppler effect ,吸積盤發出的光子接近地球時,我們觀測到的波長會變短、亮度會變光,反之亦言。我們可以在M87上清晰地看到向地球方向旋轉的半條亮環,而在Sgr A*上卻只能看到三個光點,難以只依靠最終相片分辨Sgr A*的旋轉方向。

三:進一步驗證廣義相對論

不論是較輕的Sgr A*還是較重的M87,不同質量的黑洞都共同展現了環狀的結構,它們的特徵極度符合廣義相對論對Kerr metric 克爾度規 (一種會旋轉的黑洞)的描述。例如上面提到,Sgr A*黑洞「看起來」約為52μas。而影像中光環的角直徑則為 51.8 ± 2.3 μas ,極為接近理論值,再次驗證廣義相對論在描述引力方面的有效性。

四:與世人有何關係?

印證廣義相對論的確不像耶倫發表的言論般,會突然重大影響經濟市場;亦未必像藝術品般長久觸動人心。許多人甚至沒有聽過廣義相對論,然而它卻應用在我們每天都會用到的全球定位系統。隨着EHT的精進及其他技術的發展,未來必定能讓大家一睹黑洞的真貌。更清晰的相片亦有助科學家去進一步驗證廣義相對論,又或可以將理論推而廣之,尋找到那描述宇宙的終極理論,推進人類社會的發展。

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