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次毫米電波天文觀測與黑洞

史上第一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Event Horizon 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300~1,000GHz。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5,500萬光年,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,300~1,000GHz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300~1,000GHz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。

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。