次毫米電波天文觀測與黑洞

eric955168

詹益仁 2022-03-07

史上第1張所觀測到黑洞的照片。EHT COLLABORATION

黑洞是一個恆星在演化的過程中，所會產生在天文觀測上的一個結果。但由於其奇妙的特性，諸如所有物質都會被其強大的引力所吞噬，連光線都無法逃脫。而黑洞內又是另一維度的空間，有可能貫通過去與未來，總是帶給人們無限的想像空間。因此能實際觀測到黑洞，一直是天文學上最企盼且最具挑戰的工作。

在過去天文學家僅能用間接的方法去推測黑洞的存在，直到2019年4月，全球300多位科學家及工程師們，共同發表了史上第一張所觀測到黑洞的照片，並與理論預測的結果一致。這不僅是科學史上的壯舉，同時也是工程界的一大成就，而我國中央研究院天文所，更是在這次多國參與的大型合作計畫EventHorizon Telescope EHT中，扮演重要的角色。

星球或星系所具有的能量，主要是以電磁波的方式對外輻射，而觀測不同頻率的電磁波，可以在天文觀測上得到不同的資訊，此次所觀測到黑洞的照片是使用次毫米波（sub-millimeter wave）的頻段，波長小於1mm，頻率在300〜1000GHz。由於黑洞強大的引力，不僅會吸引附近的星球或星系，一旦愈來愈靠近甚至會撕裂解體整個星球。而所產生帶能量的化學氣體及塵埃，其輻射電磁波的波長就落於次毫米波。

此次所觀測到的黑洞是離我們5500萬光年，編號M87的超大號黑洞，質量約為太陽的65億倍。使用次毫米波且要能夠觀測到這麼遠距離的黑洞，需要等同於地球周長直徑的碟型天線，這在工程上幾乎是不可能的。所幸在數十年前，無線電波天文觀測已使用天線陣列（array），將陣列中各天線所接收的訊號，經由相位間傅立葉轉換，來增加觀測的解析度，就如同茱蒂．佛斯特所主演電影《接觸未來》中，電波天線陣列的場景。

天線陣列可以將觀測的基線拉長，就可以增加視角以提升解析度。只是此次EHT所需要觀測的陣列基線更寬，得橫跨地球各洲，所以包括夏威夷、美國本土加州及亞利桑那州、南美智利，歐洲的西班牙、甚至於南極及位於北極圈的格陵蘭，共有8座次毫米波無線電波天文台的參與。每座天文台需要同步準確地記錄觀測時間，而事後大量的電腦資料處理與過濾又經歷了2年，才呈現給世人一張完整黑洞的照片。

除了橫跨地球的次毫米波陣列，300〜1000GHz次毫米波訊號接收器，也是工程上相當大的挑戰。由於外太空的訊號非常微弱，接收器需要操作在絕對溫度10度以下的極低溫，以降低系統的雜訊。由天線下來的訊號首先經過超導體的混頻器（mixer）降為中頻，再經過中頻的超低雜訊放大器。而提供混頻器的本地振盪器（local oscillator），是經由倍頻（doubler）的技術，才有可能產生出300〜1000GHz的本地訊號源。所以無線電波天文界所使用的技術與元件，一直是超越商用無線通訊系統，甚至可說是為下一世代無線通訊系統做超前部署。

假使地球的質量塌陷到1公分直徑，此時強大的地心引力，也會使物質脫離地球的逃逸速度達到光速，地球也就成為微小的黑洞。以恆星而論，需要約為太陽10倍以上質量的星球，才有可能最後演化為黑洞。

愛因斯坦的相對論雖然沒有預測到黑洞的存在，但是卻提供了黑洞存在的理論基礎。他在1905年所發表的狹義相對論，將時間與空間整合在一個方程式中；但是狹義相對論僅能處理慣性系統，在加速度的作用下就失效了。所以愛因斯坦在1915年發表了廣義相對論，更進一步地將質量也就是重力，整合進一個場的方程式中。在一個質量密度極高物體，周圍的時空會扭曲成塌陷的深井，就如同黑洞，光線都無法逃脫出來。

2015年人類發現重力波的存在，證實了愛因斯坦廣義相對論的預測。而此次所觀測到的黑洞，又再次地驗證了愛因斯坦的理論。物理學大師惠勒對廣義相對論，曾下了一個非常貼切的註解：質量作用在時空上，告訴時空如何彎曲；時空作用在質量上，告訴質量如何運動。