全球望遠鏡聯合觀測知名黑洞
2019年4月，事件視界望遠鏡（EHT）發佈了第一張M87黑洞圖像。成就的確非凡，但在科學論述方面來說，故事才剛開始。來自19個觀測設施的全資料庫，將能讓我們對這個黑洞及它所驅動的系統取得空前的洞見，還能改進對愛因斯坦廣義相對論的檢驗。中央研究院天文及天文物理研究所的天文學家對這項全球計畫也有重要貢獻。
19個觀測設施獲取大量資料取得的新研究成果，已在《天文物理快訊》上公開發表。該論文共同作者、日本國立天文臺的秦和弘表示：「我們知道黑洞的第一個直接影像有其開創性意義，但要充分利用這張出色的圖像，還需觀測整個電磁頻譜，全面了解在觀測當時有關黑洞行為的所有完整信息。」
超大質量黑洞的巨大重力為粒子噴流提供了動力，使得這些粒子能以接近光速的速度在宇宙中行進到遙遠距離外。M87噴流產生的光橫跨整個電磁波譜，從電波、可見光到伽瑪射線，而且每個黑洞的模式都不盡相同；識別該模式，能對黑洞性質（例如，自旋和輸出能量）提供至關重要的洞見。但這個挑戰不小，因為那個模式會隨時間而變化。
為了克服這種變化，科學家協調聯合了地面乃至太空許多現今最強大的望遠鏡，來做同步觀測並收集光譜上的各種光。這也是迄今為止對帶有噴流的超大質量黑洞進行過的最大型同步觀測。
中研院天文所有參加運作的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡（ALMA）、馬克斯威望遠鏡（JCMT）和次毫米波望遠鏡（SMA）都參與了EHT當時的觀測。中研院天文所副研究員淺田圭一和博士後研究員朴鍾浩兩人，也分別經由參與「全球毫米波特長基線陣列」（簡稱為GMVA）和「東亞特長基線干涉網」（簡稱為EAVN）的觀測，加入EHT當時的全球觀測。
從M87星系中心黑洞向外延伸的各波段影像。影片版權：The EHT Multi-wavelength Science Working Group, the collaborations of the EHT, EAVN, H.E.S.S., MAGIC and VERITAS; EVN; VLBA; GMVA; HST; Swift; Chandra; NuSTAR; Fermi; NASA, ESA and ESO.
上面這段影片帶領觀眾遊歷每座望遠鏡獲得的資料。影片以EHT最具代表性的M87黑洞圖像為起點，接連顯示多張（組）資料，每張圖像的波長和物理大小皆為前一張的十倍。影片由EHT於2019年4月所發佈的那張M87黑洞圖像開始（該圖像的資料獲取時間是在2017年4月間），然後接續顯示其他世界各地電波望遠鏡陣列觀測到的圖像，其中也包括GMVA和EAVN。各圖右下角有標出對應尺度，以光年為單位。接著鏡頭轉向可見光波段的哈伯望遠鏡和雨燕望遠鏡（Swift）、觀測紫外線波段的雨燕望遠鏡、Ｘ射線的錢卓望遠鏡（Chandra）和NuSTAR望遠鏡；於分割畫面中同時顯示的圖像方便觀眾直觀地對照比較這些望遠鏡取得的結果。接著是地面上和太空中的伽瑪射線望遠鏡各自從這個黑洞和其噴流探測到的影像和資訊，影片結束於各波段影像的比較。（註：地面型伽瑪射線望遠鏡有：H.E.S.S. 望遠鏡、MAGIC望遠鏡、VERITAS望遠鏡，太空中的伽瑪射線望遠鏡為費米望遠鏡Fermi-LAT。）每座望遠鏡都能提供有關M87中心達65億太陽質量的黑洞行為和影響性質，資訊各不相同；M87黑洞與地球距離約5500萬光年。
論文共同作者，加拿大蒙特利爾麥吉爾大學的Daryl Haggard表示：「很多研究團隊渴望知道他們的模型是否與這資料量豐富的觀測結果相符，我們則很高興看到整個天文學界都使用到這些公開資料庫，幫助我們更認識黑洞和黑洞與噴流間的深層關聯。」
這些資料是由橫跨全球32個國家/地區，將近200個研究單位的760位科學家和工程師組成的團隊所收集而成。觀測時間集中於2017年3月底至4月中旬。ALMA、JCMT和SMA在EHT觀測中發揮了重要作用，GMVA和EAVN的圖像則提供了更多關於噴流的詳細資訊。朴鍾浩指出:「我們的EAVN觀測是密集追蹤M87電波噴流，並在EHT觀測時間的前、中、後所進行。監測到的圖像是黑洞噴出物質如何進入星際介質。」
現任職於馬來西亞吉隆坡馬來亞大學的林煥（Juan Carlos Algaba）表示：「這非常了不起的觀測組合中，包括著好幾個全球頂尖的望遠鏡，同時這也是世界各地天文學家一起追求科學的好範例。」林煥先前曾在中研院天文所擔任過博士後研究。
首度的結果顯示，M87超大質量黑洞周圍物質所產生的光強度為迄今所曾見之最低，這也為觀察黑洞的「陰影」提供理想條件，同時還能將靠近黑洞事件視界的區域與距離黑洞數萬光年的區域隔開。
結合這些望遠鏡的資料，以及今後的EHT觀測，科學家將能對一些天文物理上最重要和最具挑戰性的領域進行研究。例如，他們打算利用這些資料來改良對愛因斯坦廣義相對論的檢驗。目前，檢驗廣義相對論的主要障礙來自圍繞黑洞旋轉以及被噴射出的物質的不確定性，尤其是決定發射光的特性究竟是什麼。淺田圭一說：「格陵蘭望遠鏡（GLT）是GMVA團隊一員，我們的觀測結果將揭示圍繞黑洞旋轉的物質如何隨噴流而散播出來。格陵蘭望遠鏡將顯著提高GMVA觀測資料的空間解析度和圖像品質。」
此外，本次結果也涉及到一個相關問題的探討，即稱為「宇宙射線」的高能粒子之起源。這種高能粒子不斷地從外太空轟擊地球，能量比地球上最強大的加速器——大型強子對撞機——所能產生的能量還高一百萬倍。由黑洞發射出的巨大噴流，就像今天公布的圖片所顯示的那樣，被認為是最有可能的高能宇宙射線之源，但關於細節還有很多問題，包括粒子加速的精確位置。因為宇宙射線的碰撞會產生光，所以透過能量最高的伽瑪射線應可精確定位這個位置，而新的研究卻表明這些伽瑪射線可能不會在事件視界附近產生——至少在2017年時並沒有。未來解決這番爭論的關鍵將在於，把2018年的觀測結果與本週將收集到的資料進行一番比較。
「理解粒子加速對於理解EHT圖像和噴流的各種『光譜特性』（colors）很重要。」論文共同作者、執教於阿姆斯特丹大學的Sera Markoff說：「這些噴流有辦法將黑洞釋放的能量輸運到尺度大小已超過宿主星系以外的遠方，活像一條巨無霸電源線。我們的結果將幫助我們計算出這攜帶出多少能量，以及黑洞噴流對環境的影響。」
本次將珍貴資料公開的新聞發佈，適逢EHT 2021年的全球觀測週，同時這是自2018年以來，睽違三年的全球電波望遠鏡（陣列）總動員。去年的觀測計畫因COVID-19疫情嚴重而被迫取消，再前一年的觀測，則因當時發生非預期的技術問題被迫暫停。就在本週，EHT天文學家終於再度瞄準了M87星系中的超大質量黑洞、銀河系中心黑洞(稱為「人馬座A星SgrA*」)，及其他幾個更遠的黑洞；觀測將於6個夜晚進行。與2017年相比，EHT陣列已獲升級：新增三座電波望遠鏡──臺灣中研院天文所主導的格陵蘭望遠鏡、美國亞利桑那州的凱特峰12米望遠鏡，以及法國的NOEMA毫米波陣列。
論文共同作者，任職於耶魯大學的Mislav Baloković說:「伴隨這些資料的發佈，再加上恢復觀測、EHT升級，我們相信，令人興奮的新結果即將出現！」
淺田圭一表示：「目前格陵蘭望遠鏡正與ALMA、JCMT和SMA一起加入正在進行中的EHT 2021年度觀測，並且，地面和太空的多座望遠鏡亦將同時觀測M87黑洞，這次觀測將為我們提供更多有關M87黑洞的重要資訊。」
M87星系橫跨整個電磁波譜的合成圖。由2017年的EHT全球觀測，以及地面和太空中共19個觀測設施所得到的資料，顯示出從星系中心的黑洞延伸到整個星系外圍的影像。
圖片版權：EHT Multi-Wavelength Science Working Group; the EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); the EVN; the EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); the GMVA; the Hubble Space Telescope, the Neil Gehrels Swift Observatory; the Chandra X-ray Observatory; the Nuclear Spectroscopic Telescope Array; the Fermi-LAT Collaboration; the H.E.S.S. collaboration; the MAGIC collaboration; the VERITAS collaboration; NASA and ESA. Composition by J.C. Algaba.
地面和太空中共19個觀測設施列表。圖片版權：NAOJ
本論文於2021年4月14日發表在The Astrophysical Journal Letters, 911, L11
作者與篇名：Event Horizon Telescope Science Multi-Wavelength Science Working Group et al.: Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign
論文鏈結網址：10.3847/2041-8213/abef71, 資料庫鏈結網址：10.25739/mhh2-cw46
新聞聯絡：
松下聰樹研究員（Dr. Satoki Matsushita），中央研究院天文及天文物理研究所 (Tel) 02-2366-5475，satoki@asiaa.sinica.edu.tw
周美吟博士後研究員，中央研究院天文及天文物理研究所 (Tel) 02-2366-5415，cmy@asiaa.sinica.edu.tw