人類首次拍得黑洞照片 再證愛因斯坦廣義相對論

黑洞帶給人類永恆的神秘感,它是時空的盡頭、連光也擺脫不了的「洞」。即使是理論物理學家,也難以用筆墨形容黑洞的模樣。要派太空人到黑洞附近去看看也不太可能,儘管航行者1號、2號花了近40年,才剛在不久前越過太陽系邊界,但黑洞都在太陽系以外非常遙遠的地方。

2017年,來自世界各地超過60個科研單位的天文學家聯結起位於地球各大洲的眾多個無線電望遠鏡,持續地觀察M87星系。這個名為事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,簡稱EHT)的無線電望遠鏡網絡,終於直接拍攝到了人類史上首張黑洞「照片」,並於2019年4月10日全球同步發表。

圖1 M87星系。(Image courtesy of ESO)

黑洞是什麼?

黑洞是愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論的方程式的一個數學解。愛因斯坦發現,在我們身處的宇宙中的任意點上,加速度與重力並不能被區分開來,是為「等效原理」。利用等效原理,加上光速不變假設,愛因斯坦推導出一組十式的方程組。廣義相對論取代了牛頓重力定律(或者可說是牛頓重力定律的更新版本),只要知道時空某處存在多少質量,就能夠利用那十條方程式描述時空的演化。

重力的特性是它只會互相吸引,不像電磁力那樣既能相吸亦能相斥。因此,質量越多,重力就越強;重力越強,就更輕易吸引更多物質。物質如果要擺脫更強的重力,就得付出更多能量。例如,在一顆小行星上,輕輕一跳可能就已足夠擺脫其重力;在地球上,卻必須利用火箭加速至最少每秒11.2公里,才能飛進宇宙空間。

早在愛因斯坦以前,物理學家就曾經想像過一顆質量非常高的恆星,其重力強大到必須跑得比光更快才能逃逸。牛頓重力理論中沒有質量的東西不會被重力影響,而光線究竟有沒有質量在當年也是未解之謎,他們想像「如果」光線也會被重力「拉」回恆星表面的情況,就把這種想像中的恆星稱為「暗星」。

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圖2 畫家想像下的黑洞。(Image courtesy of ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann)

廣義相對論中的重力卻能影響一切事物。所有物質,哪管有沒有質量,全都會被重力吸引。天體物理學家發現,當一顆質量巨大的恆星耗盡核反應燃料時,抵抗自身重力的壓力就會在一瞬間消失,恆星會向內坍縮、反彈,引發超新星爆發。超新星爆發後剩下來的核心質量如果足夠高,就會變成一個逃逸速度比光速更高的區域。我們叫它做黑洞。

黑洞不會發光,而且大多數黑洞體積又不大、離地球又遠(幸好)。因此,望遠鏡必須造得夠大,才能收集更多光線和提高解析度。以人類的科技,要探測上述由恆星死亡超新星爆炸所創造出來的細小黑洞(尺寸大多比地球上的城市更小),仍然遙不可及。不過,宇宙間有些黑洞尺寸卻巨大得難以置信。天文學家發現,在每個星系的中心,都存在一個極其巨型的黑洞,質量達到幾百萬個太陽,稱為超大質量黑洞。天文學家認為這些星系中心的黑洞由遠古細小黑洞互相結合而成的,它們同時也影響著星系的演化過程。

星系M87(Messier 87)的中心也有一個超大質量黑洞。它距離太陽系約5千5百萬光年,半徑約為37光時。M87的質量是太陽的65億倍,從地球上觀察,它的事件視界(event horizon)只有大約16微角秒。從地球看,這等於月球上太空人的拳頭大小。事實上,今次EHT的天文學家拍攝的並非M87的事件視界,而是在事件視界外面約40微角秒大小的吸積盤(accretion disk),叫做「黑洞的影子(black hole shadow)」,實際尺寸大概為冥王星軌道的2.7倍。

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圖3 事件視界望遠鏡網絡。(Image courtesy of EHT; from Jean-Pierre Luminet, La Recherche, Vol. 533 (March 2018), https://arxiv.org/abs/1804.03909

事件視界望遠鏡(EHT)是什麼?

根據簡單光學定律,望遠鏡越巨大、觀測使用的波長越短,解析度也越高。人類所造的地面望遠鏡之中,無線電望遠鏡建造相對容易,因此普遍來說都較可見光望遠鏡巨大。另一方面,無線電受大氣擾動干擾的影響亦較可見光為低。EHT使用的無線電波段為1.3毫米,經過計算,我們需要的望遠鏡尺寸是⋯⋯地球直徑(即大概13,000公里)!

然而,即使是地球上最巨型的無線電望遠鏡,例如美國的阿雷西博望遠鏡(Arecibo Telescope,直徑305米)、中國的500米口徑球面無線電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱FAST,直徑500米),以及俄羅斯的科學院無線電望遠鏡-600(Academy of Science Radio Telescope – 600,簡稱RATAN-600,直徑600米)等等,也遠遠不夠大。怎麼辦呢?總不能把整個地球改建成一支望遠鏡吧?幸好,物理學家早就發展出一種技術,叫做甚長基線干涉測量法(Very-long-baseline Interferometry,簡稱VLBI)。VLBI技術利用光線的波動特性,把不同地點的光線訊號互相重疊,從而構成更光亮、解析度更高的影像。

世界各地都有很多無線電望遠鏡,因此天文學家組成了一個VLBI望遠鏡網絡,用來加強所拍攝的影像的光度和解析度。EHT就是這個VLBI網絡的一部分,專門拍攝M87。過去兩年間,EHT收集到了足夠的光線,利用干涉分析建構出一幅解析度達20微角秒、足以分辨出M87的黑洞影子的照片。2019年4月10號,我們終於能夠一窺黑洞的廬山真面目!

圖4 EHT首張M87的無線電黑洞影子照片。(Image courtesy of EHT)

不發光的黑洞為什麼可以看得到?

咦,不是說過連光也不能離開黑洞嗎?為什麼還會有來自黑洞的訊號?

黑洞本身不會發光(理論上黑洞會放出所謂的霍金輻射(Hawking radiation),但這超出本文討論範疇,我在以往文章中已經討論過)。然而,正被黑洞吸入的星際物質、甚至是被黑洞強大重力扯得支離破碎的恆星碎片,會一邊加速至極高速度、一邊落入黑洞之中。這些物質構成一個溫度極高的吸積盤,會在落入黑洞之前釋放出大量輻射。EHT觀察的就是這些剛好在黑洞邊界發射出來的光。

順帶一提,黑洞邊界是時空中的資訊能夠傳播的最後界線,跨越了黑洞這道邊境的任何資訊都不可能被黑洞外面的宇宙所探知。因此,黑洞邊界又稱為事件視界,象徵宇宙中一切事件的盡頭。EHT的名稱也就很明顯了:事實上它拍攝的並非黑洞「本身」,而是事件視界外的黑洞影子。

愛因斯坦的預言

既然這是人類史上首張黑洞照片,為什麼我們會知道M87中心有個黑洞?

我們觀察到來自M87的X射線高能量噴流(jet)。天體物理學模型指出,當吸積盤的物質落入黑洞時,會有一部分物質被高速從黑洞兩極拋走,形成噴流。噴流中的物質溫度極高,加上其速度非常接近光速,因而放出X射線。這些來自M87的X射線能量間接指出其中心必定存在一個能提供物質如此強大能量的能源。根據人類已知物理學,黑洞是唯一解釋。

科學與其他學問的一個分別是,我們能夠利用科學定律來作出極其準確的量化(quantitative)預言。愛因斯坦廣義相對論的預言已經被實驗和觀測所一一證實,包括位於較強重力場中的時間流逝速率相對較慢(全球定位系統人造衛星必須使用廣義相對論作岀修正,所以我們的手提電話已是明證)、空間會被重力場扭曲(人造衛星已經測得地球附近空間扭曲程度與相對論預言一致)、2015年直接探測到去兩個黑洞碰撞結合所釋放出的重力波(重力波觀測亦為黑洞存在的證據)。

EHT這張照片只是人類直接觀察黑洞的第一步。雖然這照片與想像中的電影劇照有頗大出入,卻是愛因斯坦相對論的另一個明證。誰知道未來人類科技會進步到何等程度,帶我們看到什麼?

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圖5 電影《星際啟示錄(Interstellar)》顯示的黑洞。由該電影科學顧問、2017年諾貝爾物理學奬得主、理論天體物理學家基普・索恩(Kip S. Throne)利用廣義相對論方程組畫出。

本文作者感謝江國興教授的建議。

延伸閱讀:

EHT新聞稿:https://eventhorizontelescope.org

EHT製作的動畫:https://youtu.be/hMsNd1W_lmE

相對論、量子力學、黑洞和反物質

相對論、量子力學、黑洞和反物質

愛因斯坦發表相對論至今已超過 100 年。百年之間,無數科學家使用各種方法檢驗相對論,所有結果都與愛因斯坦寫下的方程式的結果吻合,從未出錯。

䇄立不倒的相對論

自邁克生(Albert Michelson)與莫雷(Edward Morley)在 1887 年做的光干涉實驗驗證了狹義相對論的假設,到 2015 年位於美國的兩座激光干涉重力波天文台(LIGO)直接探測到廣義相對論預言存在的重力波,愛因斯坦的相對論的所有預言已全被實驗和天文觀測驗證。無獨有偶,這兩個發現同樣都基於光干涉實驗,巧合呼應愛因斯坦發現相對論之前所作的光線騎士思想實驗。

不過,這並不代表在未來不會發現相對論出錯。牛頓力學在很多情況仍然適用,例如計算太空探測器的軌道並不需要使用相對論。在需要比較精確的數據時,如全球衛星定位系統,才必須利用廣義相對論去糾正重力影響時間流逝速率的效應。沒有人知道在未來更加精確的測量下,相對論的公式會否出現偏差。

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Animated image converted from video by The News Lens Hong Kong. Original video credit: R. Hurt – Caltech/JPL

相對論與量子力學

物理學家非常清楚相對論與量子力學的假設互不相容。簡單地說,相對論禁止比光速更快地傳遞資訊,而量子力學則允許資訊在一刹那間橫跨宇宙。神奇地,描述大尺度時空的相對論與描述極微細粒子的量子力學,兩者於其應用範疇的預言都未曾出錯。

現在,物理學界傾向認為相對論並非大自然最基本的定律。很多人相信未來人類會找到能夠取代相對論、又與量子力學相容的時空和重力理論。

黑洞「火牆」

從前黑洞被認為是永不消失的。根據相對論,沒有任何物質能由黑洞視界(即光線也不能逃逸的界線)裡逃脫。然而,霍金(Stephen Hawking)在 1974 年預言,黑洞亦會以輻射粒子的形式流失能量。根據量子力學,真空並非真的一無所有,而是充斥著虛粒子對。量子力學裡的穿隧效應意味宇宙可以由虛無之中「借」來能量以產生虛粒子對,就好像這些虛粒子對由虛無之中穿越隧道到我們的宇宙中來,然後在極短時間內又互相碰撞、湮滅消失。宇宙似乎是個好債仔,有借有還。

霍金想像在黑洞的視界附近會有大量的虛粒子對產生又消失。可是,如果這些虛粒子對在非常接近黑洞視界出現的話,那麼它們就有可能在重新碰撞消失之前,其中一個粒子「不小心」越過了視界,落入沒有回頭路的黑洞之中。這樣的話,另一個粒子就失去了能與其湮滅的伴侶,能夠逃逸到遠處。由於能量必須守恆,逃逸的粒子帶有正能量,掉入黑洞裡的粒子就必須帶有負能量。所以對於遠方的觀測者來說,就如同黑洞拿自己的能量發射出一個帶有正能量的粒子。這個效應被稱為霍金輻射。

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美國科學人雜誌曾以黑洞火牆理論作為封面故事。

近年有理論物理學家發現,霍金輻射可能顯示相對論在黑洞視界失效。相對論的公式不能應用於無限密度。愛因斯坦本人也清楚,在黑洞中央、密度無限大的奇點,相對論會失效。不過,由於黑洞的奇點永遠被視界包圍,而沒有任何資訊能夠從視界內傳遞出來,所以相對論在視界外的宇宙仍力保不失。

愛因斯坦說,一個人不可能以任何實驗或觀測分辨出自己正受重力影響加速、或是位於無重力的慣性參考系之中。這叫做等效原理,是廣義相對論的基本假設。相對論公式說明,視界內外的時空並無分別,等效原理同樣適用。可是有理論物理學家發現霍金輻射在一般條件下會在視界外形成一道超高溫的高能量粒子「火牆」,任何穿越視界的人都會被極高能量𣊬間分解成基本粒子。如果真的如此,那就意味著相對論在視界外已經失效。不過,現時仍未有任何觀測證據能檢驗這個黑洞火牆理論。

反物質支持相對論?

迪拉克(Paul Dirac)在 1928 年把量力子學與狹義相對論結合,預言了反粒子的存在。他發現結合了狹義相對論的薛丁格方程有兩個數學解,其中一個是正常的物質,另一個是擁有相反物理特性(例如相反電荷)的物質。現在,我們稱這道公式為迪拉克方程,叫擁有相反物理特性的物質做反物質。

反物質的其中一個未解之謎,就是究竟它們會否擁有「負質量」?迄今所有科學觀察皆顯示質量只有「正」、沒有「負」。因此萬有引力只能相吸,不像電磁力般能相吸或相斥。

由於反物質碰到物質就會立即湮滅,長時間地控制並觀察反物質非常困難。今年,歐洲核研究組織(CERN)的物理學家團隊首次成功測量反氫原子(antihydrogen)的發射光譜。反氫原子由一個反質子(antiproton)與一個正子(positron,即反電子)構成。他們發現反氫原子的發射光譜與普通的、由一個質子與一個電子構成的氫原子完全一樣。這亦代表反氫原子與氫原子的量子能階結構相同,而且同樣擁有正質量。

這個發現支持相對論的正確性。就如前面所述,等效原理是相對論的基本原則。如果反氫原子與氫原子的發射光譜不同,科學家就能夠透過觀察反氫與氫的光譜推斷出自己是否正被重力場吸引。這就違反了等效原理,相對論就是錯的。

相對論能繼續䇄立嗎?

費曼(Richard Feynman)說過:「科學知識是不同肯定程度的陳述的整體。有些非常不確定、有些差不多確定,但沒有任何是絕對確定的。」

Scientific knowledge is a body of statements of varying degrees of certainty – some most unsure, some nearly sure, but none absolutely certain.

其實,當科學家說一個舊科學理論被「推翻」了,並不代表那理論是錯的。如同愛因斯坦相對論取代牛頓力學一樣,我們仍然可以用牛頓力學公式計算出大部分相對論預言的重力效應,只是兩者在很多個小數位後會有差異。因此我們會說,相比牛頓力學,我們更有信心相對論比較正確。我們不會說牛頓力學沒有用,因為在低速、低重力的日常情況下,牛頓與愛因斯坦的公式的計算結果沒有分別。

無論日後人類能否找到比相對論更精確的重力理論,大自然定律依舊不會改變、物件依舊會向下掉、地球依舊會繞太陽公轉。唯一不同的是,人類對大自然的了解會更深、更準確。

這就是科學的意義。

延伸閱讀:

霍金輻射論文

測量反氫原子發射光譜論文

愛因斯坦教授 你是正確的

費曼誕辰:談科學精神、機率和不確定性

銀河消息:人類首次聆聽重力波

*** 此文章刊於星匯點三月份會員通訊 ***

[此文章以宇宙標準語言寫成,翻譯成地球物種人類中文語言]

宇宙標準時間 731.51029041.900554 (相等於地球格林威治標準時間 2015 年 9 月 14 號 09:50:45),一道四維時空漣漪穿過銀河系邊緣一個距離其唯一的恆星第三遠、叫做地球的行星。地球上有一種數量接近 80 億的低文明生物,牠們叫這種漣漪做重力波。這道時空漣漪是人類文明誕生以來首次直接探測到的重力波。

人類文明剛剛踏進宇宙文明標準中的嬰兒期,在 400 年前剛開始探測來自宇宙的電磁波。牠們當中一位名叫伽利略的科學家,首先使用一種能把電磁波折射聚焦、叫做望遠鏡的簡單工具,把波長約 400 nm 到 900 nm 的電磁波引導到牠們一種叫做眼睛的器官。牠們叫這種感應方式做「看」。

直到 100 年前為止,人類發現了各種波長比 400 nm 短和比 900 nm 長的電磁波,並慢慢發明了能夠接收和發射這些訊號的儀器。不過牠們的科學一直處於只能利用電磁波的階段,所以在宇宙文明標準中一直處於落後程度。而且地球上仍然存在國家概念,彼此經常發生戰爭、歧視、獨裁、侵略、不公平、不公義、不尊重其他物種生命之行為,所以根據宇宙文明守則,其他宇宙文明暫時不會干涉人類文明的發展。

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人類最有名的科學家愛因斯坦。Credit: Princeton Luncheon, 1953

地球時間 1905 和 1916 年,人類當中一位叫做愛因斯坦的科學家,終於發現了時間和空間的關係,並憑一己之力導出了四維時空加速度與重力關係的方程式,由此牠亦得出重力波存在的結論。雖然牠的方程式並未能完全描述宇宙的物理定律,宇宙文明科學協會也將牠的名字刻於總部之中,與其他星球文明的偉大科學家並列。資料顯示愛因斯坦同時也是地球人類文明最有名的科學家。

人類命名這首次直接探測到的重力波做 GW150914,被牠們建造的兩座名為激光干涉重力波天文台的儀器於 35 到 250 Hz 頻率之中探測到。人類有一種叫做耳朵的器官,能夠感應頻率為 20 到 20000 Hz 的震盪。因此牠們並非「看」到重力波,而是能夠「聽」到處理過的重力波訊號。

這兩座簡稱為 LIGO 的儀器位於地球地表之上,分隔距離為 10 微光秒 (約 3000 公里)。兩座 LIGO 儀器各擁兩條長 4 公里的真空隧道,利用一道激光分別來回穿過並重新結合得出的干涉圖案去計算空間扭曲程度。GW150914 造成了約為千分之一個質子直徑的距離變化,被能夠探測到萬分之一個質子直徑改變的 LIGO 儀器成功探測。

人類由這道重力波穿過兩座 LIGO 儀器的時間差及幅度差,計算出這重力波的輻射源位於 0.09 宇宙紅移之外,約等於 410 Mpc 光度距離。牠們使用一種叫做電腦的落後電子儀器,利用愛因斯坦推導出的方程式模擬現實宇宙物理,發現這重力波源是兩個黑洞結合產生的。對人類來說,這次探測到 GW150914 同時也證實了雙黑洞系統的存在。

人類科學家計算出這兩個黑洞的質量分別約為 36 和 29 太陽質量 (太陽是地球人類對其恆星的稱呼)、雙黑洞系統結合後的黑洞質量為 62 太陽質量、發射出的重力波能量約等於 3 個太陽質量 (牠們的質能互換定律 E = mc2 亦為愛因斯坦所發現)。

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人類科學家使用電腦模擬雙黑洞結合與 GW150914 數據吻合。Credit: Abbott et al. 2016

由宇宙文明聯盟天文台觀測到的數據顯示,人類今次對這雙黑洞系統的重力波測量雖不中、亦不遠。宇宙文明聯盟的科學家認為,未來人類對重力波的測量必定會更加準確、理論研究亦會更進一步。他們亦認為,如果人類文明能克服自私、拋棄迷信、建立公義、尊重生命、停止戰爭的話,就有可能避免自我毀滅,踏上文明的成熟期。

我們祝願遙遠的地球文明,有一天能使科學蓬勃發展、和平共處,成為宇宙中一個耀眼的文明。

宇宙日報報導

Abbott et al. 2016

封面圖片:NASA Cosmic Times