看不見的黑洞 | NASA嘗試將黑洞視覺化

黑洞你一定聽過，但從來都不知道黑洞真正的樣子是怎樣。你大概認為，黑洞就是黑壓壓一團。可以這麼說，但從物理學的角度， 黑洞本身無法被看見──因為黑洞引力高得 光線也被吸進去，沒有光，就無法看見。

在今年4月的時候，成立於2017年，以觀測黑洞及 EVENT HORIZON 為目標的 EVENT HORIZON TELESCOPE發表成果;雖然有點朦朧，但確實是人類史上第一張黑洞的照片。所拍攝的黑洞位於 M87銀河，距離地球5,500萬光年。這個黑洞的質量是太陽的60億倍; 相較之下，位於我們所在的銀河MILKY WAY的中心的黑洞SAGITTARIUS A*，其質量是太陽的 400 萬倍。這張照片除了讓 人類窺視黑洞的真貌，也進一步引證愛因斯坦的相對論，有關重力如何影響時間和空間。另外1月的時候 ， NASA 的衞星也捕捉到3億 7,500 萬光年外 ， 一顆恆星被黑洞吞噬的景象 。 這種名為 TIDAL DISRUPTION的事件，在我們的銀河系平均只會每1萬到10萬年發生一次。這些觀測成果都對人類 了解黑洞有莫大幫助

而在9月26日，NASA發表了最新的黑洞視覺化動畫，描繪黑洞的巨大引力如何扭曲周遭的物質。首 先那個像土星環的平面環，是又熱又薄「吸積盤」(ACCRETION DISK)，包含氣體和星塵等物 質，慢慢向着黑洞的方向盤繞。而愈接近中心的物質，盤繞速度愈快，愈接近光速，如果看NASA 的動畫的話就會看到，不過在硬照中，也能從光亮度看得出來。除了距離中心的遠近，吸積盤的左 側也比起右側光亮，這是因為旋繞方向的關係:左側向着我們，右側離開我們。根據相對論，這個 分別反映在光亮度:DOPPLER BEAMING，或RELATIVISTIC BEAMING。

在中心上隆起以及下方懸垂的碟盤，其實都 在黑洞背後(從觀看照片的角度看)。原因是 黑洞的重力場干擾光線路線，才導致影像被 GRAVITATIONALLY “LENSED”。 中心的一個單獨圈環，則是「光子環」(PHOTON RING)，是光線在環繞黑洞2、3甚至更多次 後在逃過被捕捉影像前的樣子，而這個樣子 也是被重力扭曲過的，愈接近中心就愈幼愈 暗。光子環內的黑色部分就是BLACK HOLE SHADOW， 它 的 體 積 是EVENT HORIZON 的兩倍。EVENT HORIZON簡單講就是黑洞的 POINT OF NO RETURN，一旦越過這界 線就無法再逃逸黑洞的重力。

在天文研究成果有成果發表前，人類早已對黑洞的外觀有不同的想像。較為有科學根據的，可書2014年上映的電影 《INTERSTELLAR》。 可以拿着今年9月 的NASA動畫，和《INTERSTELLAR》的對照一下。

劇組當年面對同樣的問題: 沒有人知道黑洞看起來怎樣， 那要怎樣呈現呢? 有好好研究過這部電影的背景的人都知 道，天文物理學家KIP THORNE是劇組關鍵的顧問(所 以其中一個機械人就叫KIPP)。美國《WIRED》報道 過，當時CHRIS NOLAN派了視覺效果公司DOUBLE NEGATIVE的人去THORNE的家;他們從蟲洞開始，光 線在蟲洞周邊不再以直線移動，那麼從數學的層面去理解 那些光線的走向將會如何? THORNE以很多版經過考證 和佈滿數學公式的科學文章去回答這個問題。DOUBLE NEGATIVE的專家就拿着這份資料，去編寫新的影像RENDERER──因為一直以來的視覺效果都建基於光想直線移動，現在要編寫一個模擬黑洞影響光線的程式。

好些格數的畫面，電腦要花上100小時去RENDER。原因就是要模擬上面提到的GRAVITATIONAL LENSING。 這也是為什麼，電影最後佔800TB容量。他們開始模擬 吸積盤圍繞黑洞的時候，本來是預料像土星環那般，但發 現邊緣被扭曲;DOUBLE NEGATIVE起初覺得很奇怪， 到KIP THORNE(他也從未見過黑洞)看效果時，這麼 說:“WHY, OF COURSE. THAT’S WHAT IT WOULD DO.”

比較兩張圖片，可以說《INTERSTELLAR》的嘗試也頗為準確。不過將來可能會有其他新發現，更準確地將黑洞視覺化，甚至解答更多有關的黑洞謎團……