黑洞是什麼？

這篇說明昨日公佈的黑洞照片雖不能算真正黑洞照片，卻是人類首次直接見証的第一步。

高科技進步，讓我們得以一窺黑洞神秘面紗，而就算不懂科學的人，這篇說明簡單易懂，好像帶我們在黑洞外圍走一圈，宇宙真的好神奇！黑洞更神秘。

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【新文章】人類首次拍得黑洞照片 再證愛因斯坦廣義相對論

黑洞帶給人類永恆的神秘感，它是時空的盡頭、連光也擺脫不了的「洞」。即使是理論物理學家，也難以用筆墨形容黑洞的模樣。要派太空人到黑洞附近去看看也不太可能，儘管航行者1號、2號花了近40年，才剛在不久前越過太陽系邊界，但黑洞都在太陽系以外非常遙遠的地方。

2017年，來自世界各地超過60個科研單位的天文學家聯結起位於地球各大洲的眾多個無線電望遠鏡，持續地觀察M87星系。這個名為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）的無線電望遠鏡網絡，終於直接拍攝到了人類史上首張黑洞「照片」，並於2019年4月10日全球同步發表。

黑洞是什麼？

黑洞是愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論的方程式的一個數學解。愛因斯坦發現，在我們身處的宇宙中的任意點上，加速度與重力並不能被區分開來，是為「等效原理」。利用等效原理，加上光速不變假設，愛因斯坦推導出一組十式的方程組。廣義相對論取代了牛頓重力定律（或者可說是牛頓重力定律的更新版本），只要知道時空某處存在多少質量，就能夠利用那十條方程式描述時空的演化。

重力的特性是它只會互相吸引，不像電磁力那樣既能相吸亦能相斥。因此，質量越多，重力就越強；重力越強，就更輕易吸引更多物質。物質如果要擺脫更強的重力，就得付出更多能量。例如，在一顆小行星上，輕輕一跳可能就已足夠擺脫其重力；在地球上，卻必須利用火箭加速至最少每秒11.2公里，才能飛進宇宙空間。

早在愛因斯坦以前，物理學家就曾經想像過一顆質量非常高的恆星，其重力強大到必須跑得比光更快才能逃逸。牛頓重力理論中沒有質量的東西不會被重力影響，而光線究竟有沒有質量在當年也是未解之謎，他們想像「如果」光線也會被重力「拉」回恆星表面的情況，就把這種想像中的恆星稱為「暗星」。

廣義相對論中的重力卻能影響一切事物。所有物質，哪管有沒有質量，全都會被重力吸引。天體物理學家發現，當一顆質量巨大的恆星耗盡核反應燃料時，抵抗自身重力的壓力就會在一瞬間消失，恆星會向內坍縮、反彈，引發超新星爆發。超新星爆發後剩下來的核心質量如果足夠高，就會變成一個逃逸速度比光速更高的區域。我們叫它做黑洞。

黑洞不會發光，而且大多數黑洞體積又不大、離地球又遠（幸好）。因此，望遠鏡必須造得夠大，才能收集更多光線和提高解析度。以人類的科技，要探測上述由恆星死亡超新星爆炸所創造出來的細小黑洞（尺寸大多比地球上的城市更小），仍然遙不可及。不過，宇宙間有些黑洞尺寸卻巨大得難以置信。天文學家發現，在每個星系的中心，都存在一個極其巨型的黑洞，質量達到幾百萬個太陽，稱為超大質量黑洞。天文學家認為這些星系中心的黑洞由遠古細小黑洞互相結合而成的，它們同時也影響著星系的演化過程。

星系M87（Messier 87）的中心也有一個超大質量黑洞。它距離太陽系約5千5百萬光年，半徑約為37光時。M87的質量是太陽的65億倍，從地球上觀察，它的事件視界（event horizon）只有大約16微角秒。從地球看，這等於月球上太空人的拳頭大小。事實上，今次EHT的天文學家拍攝的並非M87的事件視界，而是在事件視界外面約40微角秒大小的吸積盤（accretion disk），叫做「黑洞的影子（black hole shadow）」，實際尺寸大概為冥王星軌道的2.7倍。

事件視界望遠鏡（EHT）是什麼？

根據簡單光學定律，望遠鏡越巨大、觀測使用的波長越短，解析度也越高。人類所造的地面望遠鏡之中，無線電望遠鏡建造相對容易，因此普遍來說都較可見光望遠鏡巨大。另一方面，無線電受大氣擾動干擾的影響亦較可見光為低。EHT使用的無線電波段為1.3毫米，經過計算，我們需要的望遠鏡尺寸是⋯⋯地球直徑（即大概13,000公里）！

然而，即使是地球上最巨型的無線電望遠鏡，例如美國的阿雷西博望遠鏡（Arecibo Telescope，直徑305米）、中國的500米口徑球面無線電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST，直徑500米），以及俄羅斯的科學院無線電望遠鏡-600（Academy of Science Radio Telescope – 600，簡稱RATAN-600，直徑600米）等等，也遠遠不夠大。怎麼辦呢？總不能把整個地球改建成一支望遠鏡吧？幸好，物理學家早就發展出一種技術，叫做甚長基線干涉測量法（Very-long-baseline Interferometry，簡稱VLBI）。VLBI技術利用光線的波動特性，把不同地點的光線訊號互相重疊，從而構成更光亮、解析度更高的影像。

世界各地都有很多無線電望遠鏡，因此天文學家組成了一個VLBI望遠鏡網絡，用來加強所拍攝的影像的光度和解析度。EHT就是這個VLBI網絡的一部分，專門拍攝M87。過去兩年間，EHT收集到了足夠的光線，利用干涉分析建構出一幅解析度達20微角秒、足以分辨出M87的黑洞影子的照片。2019年4月10號，我們終於能夠一窺黑洞的廬山真面目！

不發光的黑洞為什麼可以看得到？

咦，不是說過連光也不能離開黑洞嗎？為什麼還會有來自黑洞的訊號？

黑洞本身不會發光（理論上黑洞會放出所謂的霍金輻射（Hawking radiation），但這超出本文討論範疇，我在以往文章中已經討論過）。然而，正被黑洞吸入的星際物質、甚至是被黑洞強大重力扯得支離破碎的恆星碎片，會一邊加速至極高速度、一邊落入黑洞之中。這些物質構成一個溫度極高的吸積盤，會在落入黑洞之前釋放出大量輻射。EHT觀察的就是這些剛好在黑洞邊界發射出來的光。

順帶一提，黑洞邊界是時空中的資訊能夠傳播的最後界線，跨越了黑洞這道邊境的任何資訊都不可能被黑洞外面的宇宙所探知。因此，黑洞邊界又稱為事件視界，象徵宇宙中一切事件的盡頭。EHT的名稱也就很明顯了：事實上它拍攝的並非黑洞「本身」，而是事件視界外的黑洞影子。

愛因斯坦的預言

既然這是人類史上首張黑洞照片，為什麼我們會知道M87中心有個黑洞？

我們觀察到來自M87的X射線高能量噴流（jet）。天體物理學模型指出，當吸積盤的物質落入黑洞時，會有一部分物質被高速從黑洞兩極拋走，形成噴流。噴流中的物質溫度極高，加上其速度非常接近光速，因而放出X射線。這些來自M87的X射線能量間接指出其中心必定存在一個能提供物質如此強大能量的能源。根據人類已知物理學，黑洞是唯一解釋。

科學與其他學問的一個分別是，我們能夠利用科學定律來作出極其準確的量化（quantitative）預言。愛因斯坦廣義相對論的預言已經被實驗和觀測所一一證實，包括位於較強重力場中的時間流逝速率相對較慢（全球定位系統人造衛星必須使用廣義相對論作岀修正，所以我們的手提電話已是明證）、空間會被重力場扭曲（人造衛星已經測得地球附近空間扭曲程度與相對論預言一致）、2015年直接探測到去兩個黑洞碰撞結合所釋放出的重力波（重力波觀測亦為黑洞存在的證據）。

EHT這張照片只是人類直接觀察黑洞的第一步。雖然這照片與想像中的電影劇照有頗大出入，卻是愛因斯坦相對論的另一個明證。誰知道未來人類科技會進步到何等程度，帶我們看到什麼？

【人口膨脹兼能源需求上升 霍金：人類或600年內絕種】

英國物理學家史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking)再度做出「預言」，聲稱地球將在西元2600年以前，因為龐大的能源消耗而成為一顆「熾熱的火球」，因此人類必須加快太空移民腳步，尋找新的家。

英國《周日快報》(Sunday Express)報導，史蒂芬‧霍金在本週日在北京舉行的騰訊網路峰會上，透過視訊發表評論，又做出最新的末日預言，他指出，以目前的人口增長速度來看，未來每40年世界人口就會增加1倍，到了2600年，地球將變得極為擁擠，能源消耗暴增，將使地球變成一顆「熾熱的火球」而讓人類滅亡，要擺脫這場災難，只能去尋找另一個適合人類生存的星球。

75歲的史蒂芬‧霍金認為，要擺脫這場末日災難，人類如果還想再存在100萬年的話，只能無畏地去尋找一個另外適合生存的星球。

根據美國《科技行者》(C net)報導，史蒂芬‧霍金呼籲支持他的「突破攝星」(Breakthrough Starshot)計畫，這個計畫是派出微型探測太空船前往距離最近的恆星系阿爾法半人馬座（南門二）探索。他認為，在阿爾法半人馬座周圍可能有存在適宜人類生存的星球，如果一切順利的話，在本世紀下半葉就可能從阿爾法半人馬座收到適合人類移居星球的第一批照片。

史蒂芬‧霍金指出，以在光束上擁有全球發展最快的科學和工程學科納米技術(Nanotechnology)，能夠以每秒驚人的46,500英里的速度行駛，這樣一個系統可以在1個小時之內到達火星，或者在幾天內到達冥王星，在一周之內通過旅行者號(Voyager 1)，在20多年內到達阿爾法半人馬座。

然而，要讓人類星際太空旅行到達那裡仍舊困難，因為一艘足夠大的太空船隻可以承載人類的速度要慢得多。憑藉今日的技術，一艘足以攜帶人類的太空船將需要3萬年的時間才能穿越25萬億英里（4.37光年）前往的阿爾法半人馬座。

新聞來源：新網
畫面來源：CCTV

今年七月，美國太空總署的探測器，飛到最接近冥王星之處，拍下一張至今最為高清的圖片，令這顆太陽系邊緣的矮星終於曝光。

陽光到達地球需時八分鐘，到達冥王星卻要五個半小時，當這張圖片傳回地球，只要你感覺身為地球的一份子，就不難理解美國科學家的雀躍之情，坐在家中，清楚看到遙遠在幾十億公里外的星球，纖毫畢現，天涯咫尺。

探索冥王星之任務，始於二○○六年，探測器在荒涼黑暗的太空中漂流，沒有人能斷言它是否能抵達冥王星，天文物理學家泰森形容此一去，有如在兩英里外揮起高球杆，而能一杆入洞之渺茫。

看到冥王星，對於我們生活在地球有甚麼意義？一點也沒有。在人類存在的幾百萬年之中，不知道冥王星，一點也沒有影響到人類繁衍生存——如果存在的意義，只不過如此的話。看到冥王星不能讓小孩考取名校，也不能讓你升職加薪，也不會令股市翻身。

但是，如果回到存在的最根本，生命從何而來？如何每一顆碳氫氧氮之原子，竟然化成地球上每一具鮮活的血肉之軀？哪一組生命的密碼在作動，決定如此生而為人？從荒涼、黑暗的星系邊陲，穿越了多少世，多少掙扎與奮力，生命才來到這個擁有光和熱的地方？

仰望夜空，偶而會感動於生命的奇緣巧合，生而為人，不為只知繁衍生存，還因為好奇心、想像力，和各種莫名其妙的感受，才能夠超越現實的狹隘與醜陋，懂得珍惜，追求更好。光是宇宙間的訊號，穿越上億年的距離，來到人的眼前，從此心懷無限，身處星體之間的牽引、變動，周而復始，生生不息，也感受同在其中。

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不再孤獨的行星（一）（訪問：陶傑 Channel）

俄羅斯富豪 Yuri Milner 三年前設立「突破」科學獎（Breakthrough Prize），聯同他的還有 Google 創辦人 Sergey Brin 及 Anne Wojcicki，Facebook 創辦人 Mark Zuckerberg，中國富豪馬雲最近也加入了董事。突破獎分為生命科學、基礎物理學和數學三大獎項，獎金為三百萬美元，是當今科學界的第一大獎，有「科學奧斯卡」之譽。

應有的尊崇

為科學研究設立大獎，讓科學家得到應有的尊重，是他的心願之一，這份心願或許植根甚早，他幽默聲稱，父母為他取名 Yuri，他自覺不能辜負這個名字——一九六一年四月十二日，蘇聯太空人 Yuri Gagarin 乘坐「東方一號」太空船升空，成為第一個飛到太空的地球人。
「我意識到基礎科學沒有獲得應有的尊崇，世人大多歌頌外表體格上的成就（Physical Achievements），看看任何全球名人排行榜，你會發現主要是娛樂界和運動界的明星，科學家通常排在榜尾位置。我覺得這個排名有點失衡，我認為世人應該更多頌揚科學家，多看重腦力智慧的成就（Intellectual Achievements），這就是我們創辦突破獎的立意，讓這些最聰明的人得到應有的地位。我當然同意其他名人的地位都實至名歸，只是想稍作平衡而已。」
除了突破獎，Yuri 還自己注資一億美元，發起為期十年的尋找外太空智慧生物的計畫 Breakthrough Listen。這個計畫的宗旨，他解釋，是為了解答人類生命的最根本疑問：「我們是孤獨的嗎？」（Are we alone？）
人類為這個問題已經思索了幾千年，只有到了近世，人類才能以科學的方法去解答這個問題，譬如 Tesla, Marconi，這個方法就是無線電，無線電的發射速度很快，所需能量也不多，如果外太空有智慧生物，對方很有可能也會用同樣的技術。

宇宙間的通信

目前 Breakthrough Listen 計畫已經簽下協議使用全球兩大巨型望遠鏡：位於美國西維珍尼亞，全球最大的可轉動望遠鏡 Green Bank，位於澳洲新威爾斯的Parkes天文台的 Dish，是南半球第二大可轉動望遠鏡。除了無線電望遠鏡，加盟合作的還有加州大學的 Automated Planet Finder，搜尋鐳射信號。
Yuri告訴我們，無線電所需的能量並不多，他以全球最大的望遠鏡阿雷西博（Arecibo）為例（這座望遠鏡在電影「三類接觸」及邦片「金眼睛」中都亮過相），地球距離銀河系中心約一萬三千光年，換句話說，如果銀河系中心的外太空智慧生物在一萬三千年前使用同樣的無線電技術發射訊信，現在就到達地球了，「當然，他們要很有耐心」，末了 Yuri 微笑補充。
甚至再遙遠一點，他又舉例，譬如距離銀河系最近的仙女座星系，距離地球約二百五十萬光年，如果要發射一個無線電訊信遠抵彼處，所需能量只是兩座三峽大壩。Yuri 認為，二百五十萬年前，當人類還是人猿的時候，如果來自仙女座星系，擁有先進文明的智慧生物使用這種技術，傳抵地球不是沒有可能。「其實使用無線電所費無幾，非常方便。也許他們也極其有耐心，不介意等上五百萬年。」
Breakthrough Listen 計畫將於未來十年內，向距離地球最近的一百萬顆星球探索信號，這些星球距離地球都在一千光年左右，以及最靠近銀河系的一百個星系，包括仙女座星系。這個計畫向全世界開放，並與加州大學開發的軟件 “Seti@home” 合作，任何人都可以在家裡下載這套免費軟件搜尋，不僅搜尋向地球發出的訊信，也可以捕捉到其他星體之間互通的訊信。
「我認為這個計畫應該屬於所有人，因為任何有關這個問題（Are we alone？）的答案，也跟我們所有人有關。因此，我想應該會有很多人有興趣參加，結合世上最大的天文望遠鏡跟不計其數的個人電腦，以及互聯網的開放平台，應用程式的開發，這是有別於之前所有探索活動之處，可以說，這是有史以來最全面的探索計畫。」Yuri也提到，Breakthrough Listen 的集資也向所有人開放，任何人有興趣都可以跟他合作。

圖：右為 Breakthrough Listen 創辦人 Yuri Milner

（全文見 CUP Magazine 164 期專題「尋找星星的回音」）

太陽系や宇宙に関する事実を学ぼうとすると、想像を絶する数字が出て来ますよね？ 数百万から数十億光年など、実際にそれらの単位で物を考えるのは難しいので、縮小して考えてみましょう。 今回は、地球を砂粒の大きさにして、太陽を大きめの石の大きさとします。

そして、地球の隣の火星や金星までの距離を、もの凄く小さな地球を見ながら、考えてみましょう。 さらに、木星や冥王星が石の太陽からどれくらい離れているのか想像してください。 （ネタバレ注意：車に乗って長距離を運転しなければなりません！）

でも、このようなミニチュア規模の話でさえ、真の宇宙の大きさを考えると、かなり遠くて巨大に感じてしまいます。 今回は、宇宙は壮大さを一緒に味わってみませんか？ 🌌🤯

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