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首度由事件視界望遠鏡觀測到：黑洞驅動的噴流

去(2019)年事件視界望遠鏡(EHT)合作團隊發表史上第一張黑洞圖像。今(2020)年EHT合作團隊則成功從EHT觀測數據中提取新資訊，第一次詳細觀測了超大質量黑洞鄰近區域的相對論性噴流。由馬克斯普朗克電波天文研究所(MPIfR) Jae-Young Kim主導的團隊最新分析追蹤發現噴流的源頭與變化劇烈的多種輻射源起點相距不遠。此研究結果發表在今年4月的《天文及天文物理》期刊(A&A)。

EHT團隊於2017年4月時舉行的全球連線觀測，收集到詳盡的數據，目前天文學家仍繼續從中擷取資訊。當時觀測目標之一類星體3C 279，是位於室女座方向的一個星系，距離地球50億光年遠。科學家稱為「類星體」，意指在中心有著超級明亮的光點，閃爍如星，實則該處正有大量氣體和恆星落入巨大黑洞中，黑洞質量約太陽十億倍。當氣體和恆星太靠近一個（推測應該存在的）吸積盤時，大黑洞會撕碎氣體和恆星，這使我們看到一些氣體以接近光速的速度噴出，其外型類似兩條極細的「消防水帶」，其成分則是電漿噴流，起因為大量物質在落入重力強大的黑洞時，釋放出強大能量。

現在藉由連線在一起而形成一座與地球一樣大的望遠鏡，得以顯示出前所未有的清晰細節，解析程度達到比一光年還更細緻，也能更仔細地觀察噴流和緊鄰的吸積盤，觀察兩者間的運動。分析資料顯示，通常相當筆直的噴流，在其根源處，意料之外地呈現著扭絞狀結構。這是第一次看到了與噴流垂直的特徵，天文學家認為可能觀測到的是噴流自吸積盤雙極噴出的現場。對比後續的圖像，甚至還看到噴流和吸積盤在最細微尺度上發生的變化，可能所目擊的就是，正在轉動中的吸積盤，伴隨著星體物質的撕碎沉落，而有噴流噴出。在此之前，這些現象都只在電腦計算模擬中預期會發生，但實際觀測上從來沒看到過。

對次觀測所獲結果，本論文第一作者Jae-Young Kim表示既興奮又困惑：「我們都知道，每打開一扇宇宙的新窗，必將發現新鮮事物。這次我們本來也預期，會取得盡可能清晰的圖像，找到噴流形成的地方，但最後發現的竟然是（與噴流）垂直的結構！這就像從大到小打開一組『俄羅斯娃娃』，到最後打開最小的一看，形狀卻和前面的娃娃完全不同。」

圓周理論研究所的天文物理學者 Avery Broderick 解釋本次觀測結果：「由於有極高角解析力，且新的計算工具能運用在觀測資料的解釋上，原先看起來像一個電波源的物體，現在能解析出來，其實是兩個，而且看出了它們的運動，這尺度極小，小於光年，只有幾『光月』而已，噴流是以光速的99.5%噴向我們。」哈佛史密松天文物理中心的博士後研究員Dom Pesce協助解釋:「因為高速的運動，結果讓3C 279的噴流看起來似乎以光速20倍在運動，之所以會出現這種不尋常的視覺錯覺是因為，物質直奔我們而來，它追著本身所發的光在跑，所以看起來比實際運動還快。」。令大家意外的這種形狀構造，推論可能是彎曲或旋轉的噴流影響下出現的行進震波或不穩定性，這也可以解釋那裡為什麼發出伽瑪射線這樣的高能幅射。

參與全球望遠鏡連線觀測並共獲此項結果的望遠鏡有：阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA)、阿塔卡瑪探路者實驗(APEX)、IRAM 30米望遠鏡、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡(JCMT)、大型毫米波望遠鏡(LMT)、次毫米波陣列望遠鏡(SMA)、次毫米波望遠鏡(SMT)、南極望遠鏡 (SPT)。

這些望遠鏡透過一種稱為特長基線干涉(VLBI)的技術，得以串聯在一起工作。特長基線干涉法，能使散佈在世界各地的觀測設備同步，並利用地球的自轉，形成一個大如地球的巨型望遠鏡。在特長基線干涉技術下，EHT取得了20微角秒的極高解析力——相當於從地球上能辨識月球上的一粒橘子，而清晰程度就和太空人在月球上看的一樣。將原始觀測資料轉換成圖像所需要的資料分析，必須由特殊電腦處理(此種電腦又稱為「相關器」)，這部分的設備，係由德國波昂馬克斯普朗克電波天文研究所以及美國麻省理工學院海斯塔克天文臺提供。

由中央研究院天文及天文物理研究所小山翔子博士領導的ASIAA黑洞成像小組（成員：郭駿逸博士、羅文斌先生和淺田圭一副研究員）是「EHT成像工作組」的一部分，對觀測結果的成像作出了貢獻。小山博士說明：「事實上，3C 279最早獲得圖像的EHT觀測目標，甚至比M87還早。3C 279成功成像後，研究團隊對EHT能力信心大增，同時，我們為成像3C 279所開發的方法，也用在了幾個主要觀測目標的成像上，包括M87黑洞。」郭駿逸接著說：「此外，它還在驗證和檢查我們的資料壓縮軟體和策略一致性方面，發揮重要作用。」

淺田圭一副研究員表示：「3C 279也是我們在2018年時用格陵蘭望遠鏡(GLT)「第一次取得干涉條紋」（代表加入特長基線陣列成功）時的目標天體。格陵蘭望遠鏡已自2018年4月開始加入EHT觀測，預期其加入除了將帶來更多結果外，也有助於提高EHT的角解析力和圖像品質。」

馬克斯普朗克電波天文研究所所長暨EHT董事會主席Anton Zensus強調，這是全球共同努力而得到的成果：「去年，我們展示了第一張黑洞陰影的圖像，現在，我們又從3C 279看到噴流形狀出人意表的變化，相信後面還有很多精彩的後續。我們現在正在分析銀河系中心黑洞『人馬座A*』觀測資料，同時，其他活躍星系如半人馬座A、OJ 287、NGC 1052的觀測資料，也正在分析中。正如我們去年所說的：這都還只是剛起步而已。」

EHT陣列仍持續增強，如同EHT創立計畫主持人Shep Doeleman表示：「這次最新類星體觀測到的成果，展示了EHT面對廣泛科學議題具有其獨特能力，隨著新望遠鏡繼續加入EHT觀測行列，能力當然也會繼續提升。我們的團隊正致力開發下一代的EHT陣列，能使黑洞影像更銳利，或可製作出史上第一支黑洞影片。」

原定2020年3/4月間進行的觀測計畫，因全球爆發新冠病毒的疫情取消了，EHT團隊表示，接下來除了繼續為下一次的觀測做準備外，將持續分析現有資料。麻省理工學院海斯塔克天文臺天文學家暨EHT計畫副主任Michael Hecht總結：「現在將全力投入完成2017年的數據分析，論文發表相關研究，並將深入分析於2018年時以EHT陣列加強版所取得的資料。我們期待2021年春季觀測，屆時EHT陣列將擴展為擁有11個天文觀測站點」。

三種波段所見的3C 279 噴流結構。
圖片來源：J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and Event Horizon Telescope Collaboration

關於事件視界望遠鏡合作計畫（The Event Horizon Telescope Collaboration） 事件視界望遠鏡合作計畫致力於構建一座相當於地球大小的虛擬望遠鏡，以獲取史上最細緻的黑洞圖像。團隊成員有來自非洲，亞洲，歐洲，北美和南美200餘位研究學者。EHT在各國大量資金支持下，用新穎系統串連現有望遠鏡，創造了一種新型天文儀器，所具之高角解析力，前所未有。

參與 EHT 計畫的望遠鏡是：ALMA、APEX、IRAM 30米望遠鏡、IRAM NOEMA天文台（2018年加入）、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡 (JCMT)、大型毫米波望遠鏡 (LMT)、次毫米波陣列望遠鏡 (SMA)、次毫米波望遠鏡 (SMT)、南極望遠鏡 (SPT)，以及格陵蘭望遠鏡 (GLT，2018年加入)。

EHT聯盟由13個主要機構組成：中研院天文所、亞利桑那大學、芝加哥大學、東亞天文台、法蘭克福歌德大學、電波天文毫米波研究所、大型毫米望遠鏡、馬克斯普朗克電波天文研究所、麻省理工學院海斯塔克天文台、日本國立天文台、圓周理論物理研究所、拉堡德大學和史密松天文台。