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研究成果發表，日期：2020年9月23日

從2009年起到2017年的期間，事件視界望遠鏡一直在觀測M87黑洞

經過分析這些資料後發現，M87黑洞影像在這些年間似有晃盪擺動

事件視界望遠鏡英文簡稱為 EHT，2019年時發表史上首張黑洞圖像，揭示位在M87星系中心的超大質量天體──即M87黑洞。2019年獲取的成果經驗，現在被用來分析從2009年到2013年的檔案資料，其中有些資料，過去從未發表過。

從分析結果，EHT團隊得以看見黑洞圖像在數年間的行為變化。一方面，「形狀像新月」的黑洞暗影特徵持續存在，另一方面，新月結構的方向則持續在變——似乎新月狀結構是在搖晃擺動中。《天文物理期刊》9月23日發表完整研究結果。

EHT，是全球級陣列望遠鏡，透過「特長基線干涉技術」讓所有望遠鏡做同步觀測，使得整個陣列形成一個和地球一樣大的虛擬電波望遠鏡，提供極高成像解析力。本次發表論文的第一作者Maciek Wielgus（美國哈佛史密松天文物理中心）對EHT具備的極高角解析力作了如此形容：「相當於讓我們能觀賞月球上的撞球比賽，不會搞不清楚剛才誰得了多少分（或幾號球進了洞）！」早在2009年到2013年，先期的EHT原型陣列就已在觀測M87黑洞。於2009年到2012年期間，有三個站點一起觀測；2013年，有四個站點一起觀測；2017年，EHT陣列達成熟階段，藉由分布於全球各地五站點部署的望遠鏡觀測。

Wielgus說明，2019年看到的「黑洞之影」圖像，由3個部分組成，環繞在M87黑洞外的熱電漿氣體，及其所形成的比較亮的新月形狀，和黑暗的中心。「我們預期該『黑暗的中心』區域，即為黑洞的『事件視界』（也就是『黑洞邊界』的物理專有名詞）。但2019年發表的結果所根據的只是2017年4月時，總共為期一週的觀察，時間太短，看不到太多變化。」「基於2019年所發表的結果，我們這個團隊進一步就想問：『那麼，2019年看到的新月形外觀，是否與檔案資料一致？存在於檔案資料上的新月狀結構，在大小和方向上，與2019年所發表的圖像，相似嗎？』」

2009-2017年藉成像/幾何模型產生的電腦模擬圖，顯示每個時期EHT望遠鏡陣列獲得的M87黑洞快照。所有的環直徑都近似，唯獨其亮面位置不同。

圖像版權：M. Wielgus、D. Pesce、EHT 團隊

由於2009~2013年的觀測資料比2017年的少很多，所以用那些資料產生不了圖像。既然如此，EHT團隊便使用統計模型建構的方式試圖觀察M87黑洞有可能隨時間而發生哪些變化。相對於在成像時研究人員不去假設光源影像的形態會像什麼，使用建模這種研究方法時，研究員則是將資料與一組幾何範本加以比對，以這次案例來說，幾何範本是一組亮度不一的環。然後使用統計框架判定資料是否與某些模型一致，藉此找到最匹配的一套模型參數。

團隊用這樣的分析，延伸應用於2009-2017年觀測資料，展示出M87黑洞與理論預期值是相符的。黑洞暗影的直徑，與依愛因斯坦廣義相對論推估而得的65億太陽質量的黑洞一致。麻省理工學院海茲塔克天文臺的秋山和德博士（Kazu Akiyama）表示：「對早期觀測資料做統計建模和幾何比對的這項研究顯示， M87黑洞的大致形態－－或說，一個不對稱的環的存在－－可能在為時數年的時間尺度上持續存在。在多個觀測時期都維持一致的這項特性，讓我們對M87黑洞的性質和黑洞暗影的來源更加確信。」

其次，在新月狀的直徑大小一直維持不變這個重點以外，他們還發現這些前期資料中所暗藏的驚喜：光環是規律地在晃動，這對科學家來說是個大新聞。這是他們第一次看到，在極端重力條件下，在如此接近黑洞事件視界的地方，看見吸積流的動力結構。持續研究這個區域，對詳盡掌握並理解譬如相對論性噴流如何噴發之類的現象，是重要關鍵，科學家將有機會開始制定廣義相對論的新測試。

研究團隊說明，那些落在黑洞上的氣體溫度高達幾十億度左右，在磁場的作用下，氣體被電離化，所以形成湍流。因為物質流動湍急，所以新月結構也似乎隨時間在晃動。論文第一作者並表示，「實際上，我們在那裡看到滿大的變化，但是，因為並不是所有的吸積理論模型都允許這麼大的晃動。這就意味著，基於已經觀測到的這個天體在運動方面的屬性，我們已可縮小範圍，開始把一些模型排除。」

圖二：透過動畫來顯示所測量到的光環直徑，大小頗一致，但測量到的方位角，則呈現出不確定性。

內嵌在圖內的上方文字為圖說，說明三個重點：

3之1－EHT 從2009-2017年都在觀測 M87黑洞，但早期觀測資料太少，成不了像，一直到2017年的觀測資料才能成像。但早期資料可以用來做幾何形狀上的比對，將黑洞型態的可能範圍限縮。

3之2－取最匹配模型的直徑與42微角秒的期望值加以比較，可看出，2009-2017年的環形，在直徑大小上，具有一致性。

3之3－然而，M87黑洞之影呈現搖擺狀－－光環方向似乎規律地在變。我們已知事件視界附近有吸積流，該現象是湍動的吸積流引起的。

圖像版權：M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration

EHT創始主席Shep Doeleman表示，這些早期的EHT實驗，提供長年觀察而積累的寶藏，是現階段的EHT──即使成像能力再卓越──也無從比擬。「2009年，當我們第一次測量M87黑洞大小時，並無法預見那份觀測資料日後某一天將讓我們得以首度一窺黑洞的動力學。但如果你想看一個黑洞在十年內如何演變，手中握有十年的資料，絕對有其不可取代性。」

EHT計畫科學家，中研院天文所資深天文學家包傑夫（Geoff Bower）說明：「格局更大的EHT陣列將繼續監測M87黑洞，提供新的圖像和更豐富的資料，還能用來研究湍流動力學。位於格陵蘭島的『格陵蘭望遠鏡』2018年開始加入EHT陣列，我們已經開始分析那次的觀測資料。2021年，EHT陣列預計將再增建兩個觀測站點，以提供更高超的成像品質～最近幾年都將是研究黑洞最令人興奮的時刻！」

論文 "Monitoring the Morphology of M87* in 2009-2017 with the Event Horizon Telescope"，M. Wielgus 等著，2020年9月23日發表於《The Astrophysical Journal》