解讀黑洞偏振光影像
繼 2019 年 4 月人類首度拍到 M87 星系中心的黑洞照片之後，今年 3 月事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，簡稱 EHT）成功從複雜資料中取得新的影像，也就是 M87 黑洞的「偏振光」影像。這張照片和兩年前有什麼不同？臺灣研究團隊做出了哪些貢獻？科學家追求高解析度的黑洞影像，又對黑洞研究有什麼重要意義呢？「研之有物」專訪中央研究院天文及天文物理所松下聰樹研究員，和大家介紹這張新的黑洞偏振光影像，以及未來黑洞觀測持續努力的方向。
黑洞照片不只是一張「甜甜圈」
還記得 2019 年 4 月人類首度拍到第一張黑洞照片的感動嗎？那張關於 M87 星系中心的黑洞影像，有點模糊，又有點有趣，當時很多人開玩笑地稱為「甜甜圈」或「貓眼」，相關的網路迷因創作層出不窮。到了 2021 年 3 月，事件視界望遠鏡發表了最新成果：M87 星系中心黑洞的「偏振光」影像，照片看起來似乎又更清楚了。如果要解讀這張新的「丹麥甜甜圈」，就必須先了解「偏振光」。
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。
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。
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。
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百分之一，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 7 座望遠鏡共同完成，而臺灣參與了其中 3 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 4 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。
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 7 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。」
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。
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。
原文連結：
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
延伸閱讀：
- 〈把望遠鏡搬到格陵蘭？！觀測黑洞的瘋狂天文學家〉，研之有物。
- 〈搖晃的 M87 黑洞之影：首窺黑洞動力學〉，中央研究院天文及天文物理研究所。
- 〈探索黑洞更進一步！EHT 公布 M87 星系偏振光影像 直擊黑洞磁場〉，中央研究院天文及天文物理研究所。
- 〈全球望遠鏡聯合觀測知名黑洞〉，中央研究院天文及天文物理研究所。
- Event Horizon Telescope Collaboration, Akiyama, K., Alberdi, A., Alef, W., Asada, K., Azulay, R., Baczko, A. K., Ball, D., Baloković, M., Barrett, J., Bintley, D., Blackburn, L., Boland, W., Bouman, K. L., Bower, G. C., Bremer, M., Brinkerink, C. D., Brissenden, R., Britzen, S., Broderick, A. E., . . . Zhang, S. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring. The Astrophysical Journal Letters, 875(1), L5.
- Event Horizon Telescope Collaboration, Akiyama, K., Algaba, J. C., Alberdi, A., Alef, W., Anantua, R., Asada, K., Azulay, R., Baczko, A. K., Ball, D., Baloković, M., Barrett, J., Benson, B. A., Bintley, D., Blackburn, L., Blundell, R., Boland, W., Bouman, K. L., Bower, G. C., Boyce, H., . . . Zhao, S. S. (2021). First M87 Event Horizon Telescope Results. VIII. Magnetic Field Structure near The Event Horizon. The Astrophysical Journal Letters, 910(1), L13.
