宇宙中的噴火槍—黑洞噴流影像現蹤跡

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圖一(封面):今年EHT 公布的3C 279 影像。圖右是本次拍攝到的黑洞噴流,根據EHT 的分析,左上光影是噴流的源頭,右下光影則是正在遠離源頭的噴流。(J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and the Event Horizon Telescope Collaboration)

離一年前公佈的首張黑洞影像後,「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT )團隊又再次發表了另一張超級解析度的影像。這次的目標是一個叫做 3C279 的星體;而它的影像呈現出來的是一對橢圓狀的發光體。這兩個光體,左上右下,似乎處在一種隨遇而安的狀態下。這對光體一點都不像去年發表的甜甜圈,倒是像在一潭黝黑的池水中,偶爾浮上水面的兩條金魚。

宇宙級的噴火槍:3C 279

在去年公布的首張黑洞影像後,事件視界望遠鏡團隊今(2020)年又再次發表另一張超高解析度的影像。這次的目標是一個叫做 3C 279 的星體,影像呈現出一對橢圓狀的發光體。這兩個光體的位置左上右下,似乎處在一種隨遇而安的狀態下。與去年發表的黑洞甜甜圈不同,反而像在一潭黝黑的池水中,偶爾浮上水面的兩條金魚。

3C 279 是一個類星體(quasar),位在室女座(Virgo Constellation,又稱處女座)附近,靠近春季大三角(Spring Triangle)的角宿一(Spica)。雖然肉眼看不見3C 279,但是從過去的觀測,天文學家知道它是銀河系外頭的另一個星系。它發出的訊號,從低能量的無線電波、紅外線到可見光、紫外線延伸至高能量的 X 光,應有盡有;甚至也會發出強烈的超高能量的γ射線。遠方黑洞的強烈訊號 為何照片上沒有「甜甜圈」?

3C 279距離地球非常的遙遠,從那邊發出的光要跑 53 億年才能到達太陽系。這麼遙遠的星體,還能發出如此強烈的能量,天文學家認為這些星體的中心必須有個正在吞噬物質的大黑洞,才能產生如此強烈的訊號。

與去年的M87*黑洞相比,為什麼這次的影像中沒有看到甜甜圈呢?因為3C 279距離地球太遠了,相比之下,去年拍到M87*離地球「僅僅」5500萬光年, 而3C 279則幾乎是 100 倍遠的距離。不僅如此,根據天文學家的估計,3C 279 的中心黑洞的大小還不到 M87* 的五分之一 。由於又小又遠,因此以目前 EHT的影像解析能力,還無法完全看到 3C279 的黑洞,所以在此影像中才看不到任何的甜甜圈。

表題 黑洞物理參數的比較:

黑洞名稱 英文名稱 天空位置 距離地球(光年) 質量(太陽) 天空視角(微角秒)
人馬座 A* Srg A* 人馬座 (或稱射手座 2萬6千 4 百萬 50
M87* M87* 室女座(處女座) 5千5百萬 65 億 38
3C 279 3C 279 室女座(處女座) 53 億 10 億 0.06

看不見甜甜圈沒關係 EHT還是有辦法解析

雖然看不到黑洞,但是天文學家可以利用 EHT 的超級解析能力來研究黑洞外圍的物理現象。當環繞黑洞的星際物質從吸積盤掉進黑洞時,並非所有物質都會進入黑洞之中。其中一部份的物質會以電漿能量包的形式,極高的速度從黑洞的兩個極點朝外噴出,物質噴出的速度趨近光速,這就是所謂的噴流。目前科學家還不了解噴流的切確成因,但是一般認為是吸積盤與黑洞周遭的磁力塲所造成,這也是 EHT 的科學家研究 3C 279 的主要動機。

2017 年 4 月的觀測期間,EHT 除了使用參與團隊的天文台之外,還另外動用其它兩組望遠鏡陣列,總共三組陣列透過不同的電波波長擷取 3C 279 的影像。其中,長波段的影像(超長基線陣列 VLBA 波長 7mm)擷取到 3C279 大範圍的相貌,影像明顯顯示左上角黑洞所在的熱點及從熱點衝往右下方向的噴流;中波段的影像(全球毫米波特長基線陣列GMVA 波長 3 mm)把目光聚焦在靠近黑洞和噴流的起始點,期望從影像中能透露出關於噴流的起源的訊息。但結果卻不盡人意,此波段呈現出來的影像幾乎是長波長的翻版,導致很難從結果中分辨出熱點和噴流之間的差別。

如果要看得更仔細, EHT 的 8座次毫米波電波觀測站同時朝熱點觀看,能提供更細微的影像解析能力(波長 1.3 mm),所得到的影像與中、長波段的結果相比,的確有出其不意的發現。 EHT 的影像出現左上與右下兩個獨立的部份,經由影像分析,EHT 團隊科學家認為右下部份訊號的移動方向與速度,和中、長波長影像中的噴流類似,因此他們認為右下部分的光影是大尺度噴流的一部份。此結論比較是可以預期,而沒有太多的爭論。可是該如何解釋位於左上的訊號就不是那麼容易了。

圖2: 類星體的想像圖。 ESO/M. Kornmesser -http://www.eso.org/public/images/eso1229a/[CC BY 4.0]

猶如宇宙噴火槍的燿變體

說到這裡,如果讀者對類星體有些認識,可能會猜測左上的光影應該是黑洞吸積盤發出的能量,黑洞就躲在巨大的吸積盤中間;而右下部份的狹長光影就是黑洞的噴流結構。噴流與吸積盤呈現接近 90 度的相對位置,此猜想符合天文學家想像中的類星體(上圖),可是問題卻沒有那麼簡單。

3C 279 是類星體中的特殊例子,特別的地方在於它的噴流方向非常接近觀測的視線。如果把噴流當作是一把宇宙噴火槍的火焰,那麼在地球上觀看 3C 279 的方向幾乎是往火槍的噴嘴裡頭看進去,高能量的噴流就只對著地球上的觀測者打出來。由於都卜勒效應(Doppler effect)的關係,此噴流看起來會特別亮,因此天文學家給這類型的類星體一個特殊的名字:燿變體(blazar,或稱耀星體)。

圖 3 :耀星體(blazar)與類星體的示意圖。當類星體的噴流幾乎是朝地球的方向對準過來,天文學家稱其為耀星體。

令人匪夷所思的觀測結果

換句話說,從地球的角度觀測,3C 279 除了具有一個非常強烈的中心訊號源外,天文家應該是可以看到整個吸積盤才對。天文學家認為從此角度觀測,吸積盤應該是接近圓形。但是在 EHT 的影像中,左上的光體卻是個狹長的橢圓形,該如何解釋異形怪狀的吸積盤,對理論學家是一大挑戰。

有一種解釋說法認為,左上與右下的光影其實是一樣的,都是噴流的高能量聚集的電漿能量包。二者不同之處在於,左上的能量包非常接近黑洞的噴嘴,並以更對準觀測者視線的角度而來,當然此角度並不完美,因此高能噴流的還是會在觀測的視線中投射出一個狹長的橢圓光影。雖然可以合理解釋觀察到的左上光影,但又該如何解釋左上與右下的能包移動的方向似乎不一樣?難道噴流會改變它的方向?關於這一點,天文學家從其它類星體的觀測經驗,知道由於吸積盤附近的強大磁場作用,噴流的確有可能改變方向。在類星體中心的磁場作用下,噴流的路徑可能比上下 360 度翻滾的雲霄飛車還複雜,因而造成 EHT 觀測到的奇怪影像,所以目前EHT 的團隊相信這是一個比較合理的解釋。

觀測「超光速」移動的噴流?

這次 EHT 共花了 4 天的時間觀測 3C 279,而每天產生一組非常類似的影像,經過仔細檢查,EHT 的團隊發現到影像中的兩個光體的距離每天都有些不同。事實上,兩個光體正在分開中。此觀察符合前一段的論證:左上的光影代表噴流的源頭,右下是正在離開的噴流。

有了 EHT 望遠鏡的超級解析度,天文學家可估計噴流的移動速度。EHT的團隊發現右下的能量正以超過 10 倍光速的速度離開噴流的源頭位置。讀者可能會納悶,超光速運動是有可能的嗎?

其實天文學家在半世紀前就已經知道,類似耀星體所發出來的噴流「看起來」會有超光速現象(superluminal motion)。如此奇怪的現象是因為高能量的噴流速度接近光速,但是由於觀測角度的關係,從遠方看起來噴流的速度超過光速。此現象其實可以用相對論解釋,所以看起來超光速並不代表真正的超光速。

宇宙的更多故事等著被挖掘

53 億年前,那時太陽系正在慢慢成形,地球根本還沒存在。然而,隨著科學的進展,一個發生在距離地球 53 億光年外的物理現象,竟然被天文學家看到了!此次 EHT 發布的影像雖然沒有如同去年 M87* 黑洞的影像,引起一陣轟動,然而 3C 279 的影像透露出來的新資訊,似乎讓天文學家產生更多的問題與好奇。這就是科學發展,隨著 EHT突破性的觀測儀器發展,人們將會看到許多前所未見的現象,並引導好奇的科學家們,更進一步了解所處在的宇宙。

2017 年參與 EHT 的八座望遠鏡中,臺灣參與建造或運作的一共有三座,包含夏威夷的次毫米波陣列、麥斯威爾望遠鏡和智利的阿爾瑪望遠鏡,再加上貢獻運作經費與觀測人力,讓臺灣團隊占有顯著的地位,這也是總共十三席的 EHT 董事成員,臺灣中研院就占兩席的原因。

臺灣團隊一手主導的格陵蘭望遠鏡,直到 2018 年才加入 EHT ,並參與 3C 279 的觀測。目前的觀測資料正在處理中,EHT團隊期待格陵蘭望遠鏡的加入,能夠揭露更多噴流結構的細節,能讓天文學破解出黑洞周遭的祕密。如此的結果將會大大的提升臺灣天文學家在黑洞研究的地位,也讓臺灣獨特的貢獻受到世人的重視。

本文發表於《科學月刊》605期,2020-05-01

附記:

VLBA, The Very Long Baseline Array,一組專門執行 VLBI 觀測的陣列,由 10 座電波望遠鏡組成,望遠鏡橫跨美國領土,從美屬維京群島,一直到夏威夷。陣列的控管中心位於 新墨西哥州的 Socorro。

GMVA:The Global mm-VLBI Array,一組由多國組成的(15座)電波望遠鏡陣列,專門執行毫米波波段的 VLBI 觀測。望遠鏡陣列從西歐,橫跨美國,一直到夏威夷。最近這幾年,格陵蘭望遠鏡也會加入該陣列觀測。觀測的控管由德國的麥克斯普蘭克研究院主導。

EHT發表的論文

中研院天文所天聞網: EHT 成果發表:

關於 3C 279 的動畫[[MP4, 7 Mb]](https://eventhorizontelescope.org/files/eht/files/eht_3c279_combined_singlecolormapsanshd.mp4)[Youtube]

EHT 網站

3C 279 的 X 光影像

3C 279 維基百科(英文)

NRAO 網站

類星體

歐洲南天天文台針對 3C 279 繪製的想像動畫

Superluminal motion (wiki)

Active Galactic Nuclei