看見黑洞! 從巨量資料「淘金」的影像成像之術

(「臺灣也看得見星光」系列連載)
趙軒翎/本刊副總編輯。因碩士論文開啟了中研院天文所研究計畫追蹤之旅,嘗試以「臺灣也看得見星光」系列連載與讀者分享臺灣的天文學發展。

(The Event Horizon Telescope Collaboration)
2018年9月在韓國平昌,事件視界望遠鏡(Event Horizen Telescope, EHT)的黑洞影像成像團隊,四個原本獨立作業的小組在此集合,準備統整大家各自分析成像出來的影像,看這一波EHT的數據到底有沒有讓他們真的「看到」黑洞⋯⋯

參與黑洞影像成像團隊的臺灣大學物理所博士生羅文斌,回憶當時會議結束後的情景,由於團隊成員早已簽訂保密協定,因此隻字不敢提,但大夥們難掩興奮,在會場一角拍起了合照,照相時紛紛單手比出一個空心的拳頭,其中的意義不言而喻。

等到這個手勢真正躍上媒體版面,已是大半年後的事情了。

藏在黑洞影像背後的大功臣
2019年4月10日,全球媒體版面被同一個科學事件所攻佔,而其中一個關鍵的詞就是「黑洞」。「我們看到了我們過去認為看不到的,」EHT的計畫主持人多爾曼(Sheperd Doeleman)在全球記者會上這麼說,「我們看到了黑洞,並拍下這張照片。」照片中的黑洞剪影,真的看起來就像那個空心拳頭,空心的地方是黑洞,而手則是顯示黑洞周圍的光線。

得到這張照片的過程,可說相當不容易。

事件視界望遠鏡,其實是由散布全球的8個電波望遠鏡所組成的共同觀測計畫,這些望遠鏡分別位在美國、墨西哥、智利、西班牙和南極,結合成一個口徑幾乎是地球直徑大小的望遠鏡,讓科學家有足夠解析度的儀器來觀測距離人類非常遙遠、也非常神秘的黑洞。他們鎖定的目標,是在230吉赫(GHz)這個頻段上較容易觀測的兩個超大質量黑洞──室女座星系團中的M87和銀河系中心的人馬座A*(Sgr A*),其大小相當於數十萬到數十億個太陽質量(M_☉)。

龐大資料量的統整與淬煉
羅文斌說,每年4月初是EHT的觀測時間,這時每台望遠鏡會以每秒2GB的速度將觀測資料儲存到硬碟中,8個望遠鏡儲存的資料量可達5PB(相當於1024TB)。這個資料量有多大?一次觀測的數據就算拿5000台筆記型電腦的硬碟來裝,都裝不完。這些龐大的資料,經過團隊一步步的整理、運算和分析,最後出現在我們眼前的照片,只剩下小小的5MB,羅文斌開玩笑地說,整個過程就像是「現代淘金術」。

身在影像成像團隊中的羅文斌,屬於團隊中很早就看到黑洞剪影照片的人。如同他的指導老師淺田圭一博士,在接受《自由時報》採訪時曾表示團隊曾擔心因為觀測數據成像出來的黑洞剪影,與先前模擬的可能影像太過相似,而被認為是數據造假。羅文斌說,當時團隊真的有些擔心,害怕他們拿到的資料是錯的,也曾懷疑自己是否參加了一個「大型造假案」。

老早就看到黑洞的他們,花了更多時間去反覆驗證這個影像的正確性,到最後當他們在會議上看到其他小組的成果,才真正鬆了一口氣。

然而,要說透過這張照片,就能完全了解黑洞是什麼模樣,可能還有一點距離。

黑洞噴流去哪裡了?
在這張黑洞照片中「噴流不見了」,羅文斌說。黑洞噴流是許多目前科學家已知的黑洞特徵之一,它是位在黑洞中央向外噴射的強力物質流,而背後推動這個強大噴流的動力,就是來自於黑洞吞食的大量物質的能量。這次EHT團隊觀測的M87,是具有噴流構造的黑洞,其噴流方向與地球夾角只有17度,羅文斌形容它「就像是對地球直衝而來」。

為什麼照片上看不到噴流?羅文斌表示,團隊認為其中一個原因可能在於EHT中沒有適合長度的基線。前面提到,EHT的特點在於:兩個望遠鏡間最長的距離,相當於地球直徑,也就是它最長的「基線」長度,這距離高達上萬公里。而EHT中也有較短的基線,也就是兩台望遠鏡放得非常近,像是夏威夷大島放在同一座山上的次毫米波陣列(SMA)和詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡(JCMT)的距離就只有幾百公尺。「越長的基線可以解析越小的物體,」羅文斌說,基線的長度影響他們能看到的影像。在EHT中,缺乏中間長度大約是數百公里級的基線,這可能是無法看到噴流的原因。

驚艷瞬間,一切才正要開始⋯⋯
現在就讀博士班三年級的羅文斌,從大學畢業就誤打誤撞闖進了「黑洞」這個研究領域,他說這個領域有趣的是它能讓喜歡物理、數學和天文的人,都各得其所。喜歡物理層面的可以探討廣義相對論或是黑洞資訊悖論,數學可從現代微分幾何的角度去研究愛因斯坦場方程式的性質,而天文則可以透過觀測來描繪它的樣貌。其中羅文斌選擇了天文觀測及影像成像這條路,而他或整個團隊的工作不會因為這一張照片的公布就停止。

「EHT現在沒有競爭對手,」羅文斌說,「因此後續的觀測就更為重要。」團隊不會因為一次的結果就心滿意足,而是透過不斷的驗證、修正去讓我們更了解黑洞真實的樣子。接下來,臺灣團隊參與建造的格陵蘭望遠鏡也加入EHT的觀測工作,為團隊增加戰力。「我們還希望可以研究在黑洞這麼強的重力場下,在它附近的物質會受到怎麼樣的影響。」羅文斌說。

在一張黑洞照片引發全球討論的熱潮漸漸降溫之時,團隊仍舊沒有鬆懈,正繼續往他們的目標邁進。

沒有留言:

張貼留言