黑洞真面目問世周年!人類首度直擊宇宙「虛無」,對台灣來說有什麼意義?

2020.04.28 by
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黑洞真面目問世周年!人類首度直擊宇宙「虛無」,對台灣來說有什麼意義?
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2019年4月10日,史上第一張黑洞的照片被發表,人類首度見證黑洞的存在,同時驗證了愛因斯坦的廣義相對論,基本黑洞物理學的發展邁出一大步。

編按:這張史上首度捕捉黑洞身影、別具歷史意義的相片,出自全球8座天文台的頂尖團隊聯手組成的「事件世界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)國際計畫,中研院陳明堂博士領軍的台灣團隊,參與了其中3座天文望遠鏡的建造和運營,是黑洞攝影計畫的關鍵推手(347位成員中有53位為中研院天文所格陵蘭望遠鏡計畫現職或前任職員,占比超過15%)。

由陳明堂博士撰寫的《黑洞捕手》一書,詳實記錄台灣團隊在黑洞攝影計畫中的各種歷程,克服高山症爬上4,200公尺高的火山、到美國西部沙漠拆除望遠鏡、在北極圈跟永夜奮鬥、與北極熊擦身而過…等冒險,展現出資源有限、處國際政治弱勢的台灣,在世界舞台以小博大的故事。

當南、北兩極都有了望遠鏡據點,EHT已模擬出跟地球一樣大的望遠鏡,全球科學家對於觀測到黑洞影像這件事變得更有信心。科學家從過去的觀測資料了解到,黑洞隨時都有可能吞噬它們周圍的星體,所以這兩個超大質量黑洞的影像應該會變化。此外,黑洞跟一般的星體一樣會自轉,使得黑洞周圍的亮光繞著黑洞轉動。

根據理論和有限的觀測資料估計,由於人馬座A* 的質量比M87小,所以自轉速度比較快,可能在幾十分鐘,到幾個小時就會轉一圈,而M87* 大概要幾天才能轉一圈。

簡單來說,M87* 轉得比較慢的性質,使它的影像在EHT觀測的那幾天並沒有太大的變化,因此讓我們可以在幾天內拍到重複、接近的影像,進而洗出能夠做為科學證據的黑洞照片。

台灣中研院天文所的黑洞團隊在井上允和淺田圭一的帶領下,從2012年開始,每年都會經由次毫米波陣列或是麥斯威爾望遠鏡,參加EHT(當時還未正式成立)的觀測活動,並參與事後的資料分析。如今格陵蘭望遠鏡已經正式加入EHT,未來的成果值得期待。

全球史上第一張黑洞照片亮相

2018年9月,我在夏威夷希洛的研究室工作,隔壁的同事包傑夫(Geoffrey Bower)某天過來問我有沒有看到「影像」。他突然的問題讓我愣了一下。「什麼影像?」「M87黑洞啊!」回過神來,我知道他指的是什麼了。

我跟著他走去他的研究室,看他在電腦上登錄到EHT網站,再敲進幾個鍵,螢幕上出現了幾張簡單的圖片,黑色的背景襯托著一抹黃金色的光芒,像一支沾著金色墨汁的大毛筆,在一張黑色的宣紙上畫了半個圓圈。

我說我已經看過這些模擬的黑洞圖樣,我問他:「有什麼特別的嗎?之前的模擬影像不就是長這樣?」。包傑夫回答說:「這些圖樣不是模擬結果,而是真的觀測結果。」

「黑色的背景襯托著一抹黃金色的光芒,像一支沾著金色墨汁的大毛筆,在一張黑色的宣紙上畫了半個圓圈」陳明堂如此形容著世界首張黑洞的照片。
維基百科

傑夫的消息讓我內心產生不小的悸動。我的心理第一個反應是:「我們終究慢了一步!」這張M87的影像是2017年的觀測結果,那個時候格陵蘭望遠鏡還在加緊趕工中,所以影像中沒有格陵蘭望遠鏡的數據。

隨著這一絲遺憾而來的是一股巨大的驚奇。這些圖片跟理論模擬的相似度,令人由衷佩服人類理性邏輯思考的能力。由愛因斯坦廣義相對論推理出來的結果,經過百年來諸多聰明學者和學術巨擘的努力,現今終於被我們驗證了!一個不可思議的物理現象從此以後真實的存在於人們的知識寶庫裡。

在感到驚奇之外,我還有一些些超現實的興奮感。我經手建造的次毫米陣列、阿爾瑪陣列(ALMA),和參與運轉的麥斯威爾望遠鏡,竟然都是解開這個百年謎題的工具,這種似乎只有在學校教科書中才會讀到的範例,讓我當下充滿了一股不真實的感覺。

天大的事,Press Embargo

隨著第一張黑洞的影像出現,EHT團隊打算一口氣發表六篇論文來闡述我們工作的科學與技術內涵。儘管已經有影像了,但要EHT團隊中兩百多位天文學家同意這六篇論文的細節內容,還是需要一番功夫。

等到確認論文內容的工作塵埃落定,我們決定在2019年4月10日,召開全球連線發表會。並且嚴格規定在那天之前,不能透露任何關於發表會的內容,更不可以「不經意」的讓媒體拿到影像。

在這次全球連線發表會前的一個月,我和松下聰樹一起找中研院廖俊智院長開了一次會,向他報告這次發表會的內容和重要性。

我們跟院長說,這次的成果不是一般的國際合作案。在整個研究上,天文所的研究員擔任相當重要的角色。我們有專門做影像分析的專家、有專門研究黑洞物理的理論專家、也有擔任團隊裡科學工作組的召集人、台灣在這個研究上投入了不少的經費。

因此在十三個席次組成的EHT董事會裡,台灣就占了兩席。我們新建的格陵蘭望遠鏡不僅已經參與觀測,甚至是未來這個研究方向升級的指標。

院長聽完以後滿興奮,氣氛一時熱鬧起來了!他馬上請祕書和公關進來,交代他們這是一件院裡的大事,要記得邀請誰跟誰來參加。接著,他就跟我們要求看「黑洞影像」。

松下聰樹這位日本同事非常有禮貌的拒絕,說我們的國際團隊規定要「Press Embargo」,旁邊的祕書小姐小聲的問:「什麼狗?」「那是我們團隊裡頭,大家互相遵守對成果內容保密的協定;我們不能跟團隊以外的人,透露任何即將發表的成果內容。」

我在旁邊加了一句:「就是『曝光了你就慘了的協定』。」

M87星系——第一張黑洞影像的家,事件視界附近的光路高度彎曲,使黑洞被放大。中間的暗影是被黑洞吸收的光子行經的路徑區域。
維基百科

2019年4月初,台灣的中央研究院網站出現一則消息,預定在4月10日晚上九點,與華府、聖地牙哥、布魯塞爾、東京、上海,同步舉辦科學成果發表會。

科學成果發表會是一個慎重的場合,它是對世人發布重要科學成果的管道,也是科學家向經費贊助單位交代,並且出名的機會,更是一個國家展現知識力量的舞台。

雖然消息中並沒有說明是哪方面的成果,但台灣中研院是這項重大發現的主角之一仍然讓人相當振奮。一些媒體開始猜測:

是什麼樣的科學成果讓世界的主要科學機構,願意共同一起發表呢?

根據國際上的傳言,這次的成果跟黑洞有關。有人非常確定是要宣布科學家終於看到銀河系的黑洞了;但也有人認為是證實了黑洞不存在,愛因斯坦是錯的。小道消息,莫衷一是。消息公布後,引起台灣科學界一陣騷動。

為捕捉第一張黑洞的影像,兩百多位科學家必須將全球8個造價數百萬美元的天文台串聯起來,聚焦數千光年遠的一個點- Discovery Channel Taiwan《黑洞獵人》預告

證明黑洞存在,然後呢?

科學家們拍到了照片,或許證明了黑洞真實存在於宇宙當中,不再只是科幻小說的情節。

或許有人會問:「是啊!黑洞存在被證實了,那又如何呢?」畢竟M87的超大質量黑洞距離我們5,500萬光年,離我們實在太遙遠,在我們有限的知識理解範圍,這麼長的距離完全淡化了它對我們的任何影響,所以覺得這跟人類一點關係都沒有。

知識演變成實際應用的轉換過程,往往並不是那麼的直接,每一項發現不是都能像電晶體一樣,能夠立刻應用在日常生活中。

例如,當發現DNA雙螺旋結構的當下,科學家並不覺得這對未來有何用處。黑洞或許在當下看不到任何用處,說不定未來也不會對人類社會有任何的影響,但是它的存在再次驗證愛因斯坦的天才之處,告訴我們廣義相對論在宇宙的極端狀況下依然正確。

這是一塊人類智慧成長的奠基石,也是在人類的知識拼圖中,填補了一塊找尋了百年的重要圖塊,讓我們接下來在探索宇宙、追求新知識的過程中,增加無比的信心。

但這張模糊的照片只是個開端,之後還會有更多探索未知的研究繼續往前走,繼續照亮人類的知識長廊。台灣也因為這張照片,向世人宣告了我們的實力。

在黑洞影像公布之前,丹麥的天文學家就對格陵蘭望遠鏡非常感興趣,所以賀曾樸特別飛到哥本哈根,與我們的丹麥夥伴一起公布黑洞成果,順便跟丹麥波耳學院談接下來格陵蘭望遠鏡的合作計畫。

長久以來,格陵蘭這塊土地就如同丹麥的試驗地。丹麥的科學家對於格陵蘭的人文、地理、氣候、環境有著深入的研究和豐富的知識,特別是如何在格陵蘭的冰原上架設工作站,來採集冰層中的冰核。我們想要借重他們在冰原上開發工作站的長足經驗,以及經營研究團隊的技巧與能力,也期待跟他們的天文學家,一起使用格陵蘭望遠鏡,共同進行天文學上的研究。

這正是科學工作的基本精神:合作和共享,一起解決人類所面對的問題。這是雙贏的科學探索,並且在世界政治的舞台上,台灣可添增一位盟國。

當我們可以上太空,可以看見5,500萬光年外的黑洞,那麼,眼前還有什麼挑戰,是我們沒有勇氣面對的?
2019年雙十國慶蔡英文總統的致詞結語

接下來幾年我們就會把格陵蘭望遠鏡搬往更北邊的峰頂觀測站,那裡的氣溫比圖勒更低,既沒有穩固的地基,也沒有豐盛的食物,有的只是未知的挑戰。但正如蔡英文總統在2019年雙十國慶的致詞結語,我們樂觀以待。

本文授權轉載、摘錄自《黑洞捕手》,第13章〈黑洞現形〉,作者陳明堂,天下文化出版。

責任編輯:張庭銉

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