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2021 年 3 月事件視界望遠(yuǎn)鏡公布了 M87 星系中心黑洞的黑洞黑洞臺(tái)州大圈外圍預(yù)約聯(lián)系方式[微信1662+044-1662][提供外圍女上門服務(wù)快速安排面到付款不收定金偏振光影像，圖中的照片再升條紋是光的偏振方向。資料來源│EHT Collaboration

光是照片再升一種電磁波，如果光有特定的星系像后續(xù)振蕩方向，就稱為「偏振光」。偏振手機(jī)發(fā)出的光影光線一般為偏振光，如果透過偏光太陽(yáng)眼鏡觀看，人類只能在某個(gè)特定角度才能讓光通過，其他角度則不透光。資料來源│EHT Collaboration and Fiks Film

M87 星系中心黑洞的自轉(zhuǎn)方向（順時(shí)鐘）與周圍光線偏振方向（逆時(shí)鐘）剛好相應(yīng)，而這個(gè)特定的偏振方向，也就形成黑洞照片上類似丹麥甜甜圈的特殊紋路。資料來源│EHT Collaboration and Crazybridge Studios

圖片為 M87 黑洞的多波段影像。 EHT 拍到黑洞事件視界附近的「甜甜圈」影像，而其他波段的望遠(yuǎn)鏡則拍到黑洞附近狹長(zhǎng)而筆直的噴流。資料來源│中研院天文所 

從 2009 年之后，事件視界望遠(yuǎn)鏡的天線成員數(shù)量陸續(xù)增加，臺(tái)灣目前總共貢獻(xiàn)了 4 座望遠(yuǎn)鏡的營(yíng)運(yùn)與儀器技術(shù)。資料來源│中研院天文所 

松下聰樹在訪談中提到，未來在格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和高頻觀測(cè)的技術(shù)支援下，黑洞照片解析度可望提升到 15×15 像素。資料來源│松下聰樹

M87 黑洞觀測(cè)影像與理論模型比較，可預(yù)期未來觀測(cè)解析度提高之后，有機(jī)會(huì)看到更多細(xì)致的結(jié)構(gòu)。資料來源│S. Issaoun, M. Mościbrodzka with Polarimetry WG and OWG
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)《研之有物》（采訪撰文：歐柏升、簡(jiǎn)克志 美術(shù)設(shè)計(jì)：林洵安）：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后，今年 3 月事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，簡(jiǎn)稱 EHT）成功從復(fù)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么不同？臺(tái)灣研究團(tuán)隊(duì)做出了哪些貢獻(xiàn)？科學(xué)家追求高解析度的黑洞影像，又對(duì)黑洞研究有什么重要意義呢？ 「研之有物」專訪臺(tái)灣“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(cè)持續(xù)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(dòng)嗎？那張關(guān)于 M87 星系中心的黑洞影像，有點(diǎn)模糊，又有點(diǎn)有趣，當(dāng)時(shí)很多人開玩笑地稱為「甜甜圈」或「貓眼」，相關(guān)的網(wǎng)路迷因創(chuàng)作層出不窮。到了 2021 年 3 月，事件視界望遠(yuǎn)鏡發(fā)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(zhǎng)這樣？
首先，什么是偏振光呢？松下聰樹在訪談中做了簡(jiǎn)單演示：拿出一副太陽(yáng)眼鏡，放在手機(jī)螢?zāi)缓陀^測(cè)者（你）中間「過濾」光線。當(dāng)鏡片在某個(gè)特定角度時(shí)，我們可以順利看到手機(jī)畫面；但是當(dāng)鏡片旋轉(zhuǎn)到其他角度后，螢?zāi)还饩€就會(huì)被擋住，無(wú)法透光。
這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的背后原理，就是光的「偏振」。光是電磁波，可以沿著垂直于行進(jìn)方向的各個(gè)角度振蕩。假如一束光只在特定方向振蕩，那就是「偏振光」。手機(jī)發(fā)出的光線通常是偏振光（因?yàn)槲災(zāi)怀鰪S都會(huì)貼上偏光片），如果我們放上同樣具有偏振片功能的太陽(yáng)眼鏡，就必須把鏡片旋轉(zhuǎn)到電磁波振蕩的方向，光線才能穿透。
其次，測(cè)量光的偏振方向，可以幫助科學(xué)家了解黑洞周圍磁場(chǎng)。因?yàn)楹诙锤浇碾姖{帶有磁場(chǎng)，這些電漿發(fā)出的光，偏振方向通常都是垂直于磁場(chǎng)。從觀測(cè)結(jié)果取得偏振光資料，科學(xué)家就可解析黑洞磁場(chǎng)。那么，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，為什么光的偏振方向會(huì)這么特別？根據(jù)最新研究指出，M87 星系中心的黑洞自轉(zhuǎn)軸是指向外太空并遠(yuǎn)離地球的，從地表上觀測(cè)黑洞，其自轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)鐘，連帶地讓周圍光線的偏振方向變成逆時(shí)鐘（因?yàn)楸仨毰c周圍磁場(chǎng)方向垂直），也就是照片上類似丹麥甜甜圈的「紋路」啰。請(qǐng)見下圖。
從偏振光了解周圍磁場(chǎng)之后，科學(xué)家就可以進(jìn)一步解析黑洞。目前科學(xué)家已知 M87 星系中心的黑洞擁有狹長(zhǎng)而筆直的噴流，從黑洞旁邊約 0.01 光年的距離，延伸到數(shù)千光年外的范圍。噴流要跨越這么龐大的空間，又能夠保持筆直，需要非常龐大的能量才能辦到。天文學(xué)家推測(cè)，這可能要?dú)w功于黑洞周圍的磁場(chǎng)。
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(shí)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(cè)，但要耗費(fèi)更多時(shí)間處理資料。因此，2019 年的影像僅顯示了黑洞周圍的光強(qiáng)度，而偏振光影像則要到 2021 年才公布。
松下聰樹說明，因?yàn)楹诙锤浇獾钠癖壤ǔ２坏?10%，所以偏振訊號(hào)大概只有光強(qiáng)度的1%，非常微弱。而且，所有資料必須仔細(xì)校正，去除儀器所產(chǎn)生的偏振，確保訊號(hào)來自天體。觀測(cè)所用到的每個(gè)望遠(yuǎn)鏡各有不同特征，天文學(xué)家需確保全部資料完成校正，是非常艱難的任務(wù)。
臺(tái)灣團(tuán)隊(duì)在黑洞觀測(cè)的貢獻(xiàn)
松下聰樹指出，臺(tái)灣對(duì)黑洞觀測(cè)有重大貢獻(xiàn)。目前公布的黑洞影像是來自 2017 年的觀測(cè)結(jié)果，由七座望遠(yuǎn)鏡共同完成，而臺(tái)灣參與了其中三座望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)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(yuǎn)鏡（JCMT）。再加上 2018 年順利上線的格陵蘭望遠(yuǎn)鏡（GLT），臺(tái)灣總共貢獻(xiàn)了四座望遠(yuǎn)鏡的營(yíng)運(yùn)與儀器技術(shù)。
資料分析方面，臺(tái)灣的研究團(tuán)隊(duì)也舉足輕重。松下聰樹特別提到中研院天文所博士后研究樸鐘浩的貢獻(xiàn)──他負(fù)責(zé)撰寫資料處理程式，完成非常困難的校正工作，于是能產(chǎn)生這幅偏振光影像。另外，中山大學(xué)郭政育教授、臺(tái)灣師范大學(xué)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(xué)委員會(huì)，包杰夫（Geoffrey Bower）擔(dān)任 EHT 計(jì)畫科學(xué)家，而松下聰樹本人則也領(lǐng)導(dǎo)工作團(tuán)隊(duì)。
松下聰樹說，臺(tái)灣能夠參與 EHT 的關(guān)鍵，在于「我們?cè)谂_(tái)灣有世界尖端的科技」，因此對(duì)于國(guó)外研究單位來說有相對(duì)大的影響力。
拍到黑洞影像之后呢？
事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）的任務(wù)并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(cè)，也就是目前所公布的黑洞影像，總共使用七座天線。到了 2018 年格陵蘭望遠(yuǎn)鏡開始加入，由于格陵蘭和其他天線距離遙遠(yuǎn)，把觀測(cè)的基線拉長(zhǎng)，因此可以增加約 50% 的解析度。
2021 年 4 月，事件視界望遠(yuǎn)鏡又完成一次新的觀測(cè)。這次有美國(guó)的基特峰天文臺(tái)（Kitt Peak National Observatory）和法國(guó)的北方擴(kuò)展毫米陣列（NOEMA）加入，觀測(cè)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(chǎng)。新的觀測(cè)則有望偵測(cè)到外圍彌漫的氣體所帶有的磁場(chǎng)，幫助我們了解黑洞、磁場(chǎng)與噴流的關(guān)系。科學(xué)家正在緊鑼密鼓分析這批資料，期待會(huì)有好的結(jié)果。
此外，目前EHT正在測(cè)試更高頻率的觀測(cè)。原先觀測(cè) 220 GHz 的電波（波長(zhǎng) 1.3 毫米），過幾年后則有機(jī)會(huì)讓所有天線做 345 GHz 的觀測(cè)（波長(zhǎng) 0.87 毫米），波長(zhǎng)比之前短了將近一半，空間解析度也會(huì)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(yuǎn)鏡，解析度可到 5×5 像素。未來頻率提高到 345 GHz 之后，可再提升到 7×7 或 8×8 像素。
還有另一個(gè)希望，就是將格陵蘭望遠(yuǎn)鏡搬到山上，天氣條件更好，有機(jī)會(huì)進(jìn)行更高頻率（660 GHz）的觀測(cè)，解析度可再上升至 15×15 像素。高達(dá) 660 GHz 頻率的電磁波通常會(huì)被水蒸氣吸收，需要水氣很少的地方才能觀測(cè)，甚至連夏威夷也只有很少數(shù)日子有這種條件。松下聰樹說，智利夠高且干燥，格陵蘭則夠冷，可以滿足觀測(cè)條件。
高頻率觀測(cè)是下一代計(jì)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(shí)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(jù)理論模型，黑洞應(yīng)該有許多更細(xì)致的結(jié)構(gòu)，但是在目前公布的影像中仍然糊成一團(tuán)。一旦有了更高解析度的影像，就有機(jī)會(huì)辨認(rèn)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(cè)可告訴我們，黑洞怎么吃進(jìn)氣體，以及磁場(chǎng)在其中的角色。
不僅如此，黑洞的半徑和質(zhì)量呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，若能精確測(cè)得黑洞的半徑，則可以了解黑洞如何成長(zhǎng)，甚至推測(cè)早期宇宙的黑洞如何誕生。此外，黑洞的旋轉(zhuǎn)會(huì)拖曳時(shí)空，造成影像的些微變化，高解析度的觀測(cè)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(lǐng)域。這不是結(jié)束，只是開始。」目前我們看到的「甜甜圈」影像只是個(gè)開始，未來還精彩可期。