人類對宇宙黑洞的探索今天將邁出開創歷史的一大步。來自美國、智利、比利時、丹麥、日本、上海和台北的科學家約定在香港時間今晚(周三)9時同時召開一場有多種語言的記者會,發佈一項「開創性成果」,輿論普遍認為屆時將發佈人類有史以來第一張黑洞照片。

雖然自愛因斯坦在1915年發表廣義相對論後,科學家已推測出黑洞的存在,但由於黑洞範圍連光線都無法逃逸,因此過去人類一直無法直接觀測,僅能以物體被吸入黑洞前,因高熱而釋出的紫外線和X射線,去發現和了解黑洞。而NASA或科學界過往發表的黑洞「圖片」,僅是以觀測得到的數據繪製而成的「想像圖」,而非實際黑洞的「照片」。

根據天文物理學家的理解,當質量龐大的恒星殆盡後,重力塌縮至無限小的「奇點」(singularity)便會成為黑洞,愛因斯坦提出的廣義相對論認為,它的重力場極為強大,足以令任何物質、輻射和光線都無法逃逸。當黑洞形成,其周圍便會形成一個介面,這個介面被稱作「事件視界」(event horizon),簡單點說它便是黑洞邊界,任何物質一旦越過邊界都將被黑洞捕獲,也就是此次望遠鏡的名字。

理論上,任何數據物質只要墮進「事件視界」內,便會徹底湮滅,但這概念卻與量子力學有衝突,因為根據量子力學定律,任何轉化過程均可逆轉,理論上應有能量或資訊可從黑洞逃逸。因此,近年科學界對「事件視界」提出了不少新觀點。

美國物理學家波爾欽斯基(Joseph Polchinski)在2012年提出了「黑洞火牆悖論」,指出如根據量子力學定律,「事件視界」必須為高能量的「火牆」,將物質燃燒殆盡才墮進黑洞。但若然「火牆」真的存在,便違反廣義相對論中的「等效原理」。因為在「等效原理」之下,引力質量和慣性質量等效,「火牆」便不應該會出現,所以「火牆」存在與否,變相成為了量子力學與廣義相對論的一場較量。

為解決「黑洞火牆悖論」,英國著名物理學家霍金在2014年便提出「灰洞」理論,認為黑洞周圍根本沒有「事件視界」,因為黑洞周圍的量子效應令時空變化太劇烈,因此分界並不清晰,並提出以「表觀視界」(apparent horizon)為真正的黑洞邊界,取代「事件視界」。霍金相信,「表觀視界」可將企圖逃逸的物質和能量暫存,然後再將物質釋放。但霍金認為,雖然資訊可以從黑洞逃逸,但它們會變得面目全非。

基於黑洞的物理學特質,因此所謂為黑洞「拍照」,其實是攝下黑洞的「陰影」。今次觀測的兩個特大質量的黑洞,分別是距離地球2.6萬光年的「人馬座A*」和距離地球5,400萬光年的「M87」。根據天文學家2000年首次模擬黑洞「人馬座A*」的結果,天空平面(與視線方向垂直的面)會被黑洞「表觀視界」的圓環一分為二。一邊是在「表觀視界」圓環以內的光子,只要在「表觀視界」以外就能逃離黑洞,但受到很強的引力作用,亮度較低;一邊是在「表觀視界」圓環以外的光子,能繞著黑洞繞轉多圈,積累的亮度足夠高,因此兩邊的亮度便會出現差異,令科學家可以拍下黑洞的「真像」。

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