人類首張黑洞照片再升級！解讀 M87 星系黑洞偏振光影像與後續

2021 年 3 月事件視界望遠鏡公布了 M87 星系中心黑洞的偏振光影像，圖中的條紋是光的偏振方向。 資料來源│EHT Collaboration

黑洞偏振光影像為何長這樣？

首先，什麼是偏振光呢？松下聰樹在訪談中做了簡單演示：拿出一副太陽眼鏡，放在手機螢幕和觀測者（你）中間「過濾」光線。當鏡片在某個特定角度時，我們可以順利看到手機畫面；但是當鏡片旋轉到其他角度後，螢幕光線就會被擋住，無法透光。

這個演示實驗的背後原理，就是光的「偏振」。光是電磁波，可以沿著垂直於行進方向的各個角度振盪。假如一束光只在特定方向振盪，那就是「偏振光」。手機發出的光線通常是偏振光（因為螢幕出廠都會貼上偏光片），如果我們放上同樣具有偏振片功能的太陽眼鏡，就必須把鏡片旋轉到電磁波振盪的方向，光線才能穿透。

光是一種電磁波，如果光有特定的振盪方向，就稱為「偏振光」。手機發出的光線一般為偏振光，如果透過偏光太陽眼鏡觀看，只能在某個特定角度才能讓光通過，其他角度則不透光。 資料來源│EHT Collaboration and Fiks Film

其次，測量光的偏振方向，可以幫助科學家了解黑洞周圍磁場。因為黑洞附近的電漿帶有磁場，這些電漿發出的光，偏振方向通常都是垂直於磁場。從觀測結果取得偏振光資料，科學家就可解析黑洞磁場。那麼，要如何解讀這張「丹麥甜甜圈」照片的「紋路」呢？

所謂「紋路」，就是黑洞周圍光線的特定偏振方向。但是，為什麼光的偏振方向會這麼特別？根據最新研究指出，M87 星系中心的黑洞自轉軸是指向外太空並遠離地球的，從地表上觀測黑洞，其自轉方向為順時鐘，連帶地讓周圍光線的偏振方向變成逆時鐘（因為必須與周圍磁場方向垂直），也就是照片上類似丹麥甜甜圈的「紋路」囉。請見下圖。

M87 星系中心黑洞的自轉方向（順時鐘）與周圍光線偏振方向（逆時鐘）剛好相應，而這個特定的偏振方向，也就形成黑洞照片上類似丹麥甜甜圈的特殊紋路。 資料來源│EHT Collaboration and Crazybridge Studios

從偏振光了解周圍磁場之後，科學家就可以進一步解析黑洞。目前科學家已知 M87 星系中心的黑洞擁有狹長而筆直的噴流，從黑洞旁邊約 0.01 光年的距離，延伸到數千光年外的範圍。噴流要跨越這麼龐大的空間，又能夠保持筆直，需要非常龐大的能量才能辦到。天文學家推測，這可能要歸功於黑洞周圍的磁場。

圖片為 M87 黑洞的多波段影像。EHT 拍到黑洞事件視界附近的「甜甜圈」影像，而其他波段的望遠鏡則拍到黑洞附近狹長而筆直的噴流。 資料來源│中研院天文所

M87 黑洞偏振光影像，可能看起來只是一張比較清楚的「甜甜圈」，然而實際上要得到黑洞偏振光影像非常困難。這次的偏振光影像和 2019 年公布的首張黑洞照片皆來自同一次觀測，但要耗費更多時間處理資料。因此，2019 年的影像僅顯示了黑洞周圍的光強度，而偏振光影像則要到 2021 年才公布。

松下聰樹說明，因為黑洞附近光的偏振比例通常不到 10%，所以偏振訊號大概只有光強度的1%，非常微弱。而且，所有資料必須仔細校正，去除儀器所產生的偏振，確保訊號來自天體。觀測所用到的每個望遠鏡各有不同特徵，天文學家需確保全部資料完成校正，是非常艱難的任務。

臺灣團隊在黑洞觀測的貢獻

松下聰樹指出，臺灣對黑洞觀測有重大貢獻。目前公布的黑洞影像是來自 2017 年的觀測結果，由七座望遠鏡共同完成，而臺灣參與了其中三座望遠鏡的運作，分別是阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）、次毫米波陣列（SMA）及麥克斯威爾望遠鏡（JCMT）。再加上 2018 年順利上線的格陵蘭望遠鏡（GLT），臺灣總共貢獻了四座望遠鏡的營運與儀器技術。

資料分析方面，臺灣的研究團隊也舉足輕重。松下聰樹特別提到中研院天文所博士後研究朴鍾浩的貢獻──他負責撰寫資料處理程式，完成非常困難的校正工作，於是能產生這幅偏振光影像。另外，中山大學郭政育教授、臺灣師範大學卜宏毅教授都參與了此次研究。中研院參與 EHT 的人員，還包括淺田圭一參與科學委員會，包傑夫（Geoffrey Bower）擔任 EHT 計畫科學家，而松下聰樹本人則也領導工作團隊。

松下聰樹說，臺灣能夠參與 EHT 的關鍵，在於「我們在臺灣有世界尖端的科技」，因此對於國外研究單位來說有相對大的影響力。

從 2009 年之後，事件視界望遠鏡的天線成員數量陸續增加，臺灣目前總共貢獻了 4 座望遠鏡的營運與儀器技術。 資料來源│中研院天文所

拍到黑洞影像之後呢？

事件視界望遠鏡（EHT）的任務並不是拍到黑洞就收工，隨著更多儀器上線，未來有望揭開更多黑洞的奧秘。

最初 2017 年的觀測，也就是目前所公布的黑洞影像，總共使用七座天線。到了 2018 年格陵蘭望遠鏡開始加入，由於格陵蘭和其他天線距離遙遠，把觀測的基線拉長，因此可以增加約 50% 的解析度。

2021 年 4 月，事件視界望遠鏡又完成一次新的觀測。這次有美國的基特峰天文臺（Kitt Peak National Observatory）和法國的北方擴展毫米陣列（NOEMA）加入，觀測的解析度和靈敏度都提高了。

松下聰樹說明，目前公布的黑洞影像，只看到黑洞旁邊的磁場。新的觀測則有望偵測到外圍瀰漫的氣體所帶有的磁場，幫助我們了解黑洞、磁場與噴流的關係。科學家正在緊鑼密鼓分析這批資料，期待會有好的結果。

此外，目前EHT正在測試更高頻率的觀測。原先觀測 220 GHz 的電波（波長 1.3 毫米），過幾年後則有機會讓所有天線做 345 GHz 的觀測（波長 0.87 毫米），波長比之前短了將近一半，空間解析度也會顯著提高。

我們目前看到的「甜甜圈」，解析度只有 3×3 像素。2018 年加上格陵蘭望遠鏡，解析度可到 5×5 像素。未來頻率提高到 345 GHz 之後，可再提升到 7×7 或 8×8 像素。

還有另一個希望，就是將格陵蘭望遠鏡搬到山上，天氣條件更好，有機會進行更高頻率（660 GHz）的觀測，解析度可再上升至 15×15 像素。高達 660 GHz 頻率的電磁波通常會被水蒸氣吸收，需要水氣很少的地方才能觀測，甚至連夏威夷也只有很少數日子有這種條件。松下聰樹說，智利夠高且乾燥，格陵蘭則夠冷，可以滿足觀測條件。

高頻率觀測是下一代計畫，還沒人有把握能夠成功，不過松下聰樹正面看待。他說，剛開始組織 EHT 的時候，「大家都說拍攝黑洞影像是不可能的，但是我們讓它變成可能了。」

松下聰樹在訪談中提到，未來在格陵蘭望遠鏡和高頻觀測的技術支援下，黑洞照片解析度可望提升到 15×15 像素。 資料來源│松下聰樹

為何追求高解析度影像？

松下聰樹說明，根據理論模型，黑洞應該有許多更細緻的結構，但是在目前公布的影像中仍然糊成一團。一旦有了更高解析度的影像，就有機會辨認出事件視界的精確位置，以及分辨流出和流入的氣體。黑洞能量的來源是流入的氣體，高解析度觀測可告訴我們，黑洞怎麼吃進氣體，以及磁場在其中的角色。

M87 黑洞觀測影像與理論模型比較，可預期未來觀測解析度提高之後，有機會看到更多細緻的結構。 資料來源│S. Issaoun, M. Mościbrodzka with Polarimetry WG and OWG

不僅如此，黑洞的半徑和質量呈簡單的線性關係，若能精確測得黑洞的半徑，則可以了解黑洞如何成長，甚至推測早期宇宙的黑洞如何誕生。此外，黑洞的旋轉會拖曳時空，造成影像的些微變化，高解析度的觀測可以分辨得出來。

松下聰樹說：「黑洞的直接影像，開啟了天文與物理新的領域。這不是結束，只是開始。」目前我們看到的「甜甜圈」影像只是個開始，未來還精彩可期。

本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。