當你凝視深淵：人類首度直擊黑洞真面目！

（原文刊載於泛科學，部分文字由S編、y編微調編修。）

「當你凝視深淵，深淵也凝視著你。」當我們想像「看著」黑洞的時候，可能是這樣的感覺...嗎？現在，你有可能可以稍微體驗一下凝視黑洞是怎樣的感覺了！

本次觀測到的M87黑洞影像。source：中研院天文所提供 Photo credit: EHT Collaboration

今晚（2019年4月10日），中央研究院廖俊智院長，偕同天文及天文物理研究所的科學家淺田圭一和中村雅德，與布魯塞爾、聖地牙哥、上海、東京和華盛頓特區等五地同步舉行記者會，發布令人興奮的消息：由事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）提供的黑洞觀測照片。

關於事件視界望遠鏡 

事件視界望遠鏡是全球性的大型望遠鏡陣列計畫，其利用特長基線干涉法（Very-long-baseline interferometry，VLBI），協調世界各地電波望遠鏡針對特定目標進行獨立觀測，並將數據整合在一起，形成口徑等同地球一樣大的虛擬望遠鏡。在台灣方面，作為全球VLBI陣列的一員，中央研究院參與建造了次毫米波陣列望遠鏡（SMA），以及阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡（ALMA）；2017年更在北極圈內，和美國哈佛大學的研究團隊，成功架設格陵蘭望遠鏡。[1]  

由於望遠鏡口徑越大，分辨天體的本領就越高強；藉由事件視界望遠鏡，我們能檢驗以往無法觀察的天文現象──例如黑洞。目前事件視界望遠鏡的主要觀測目標，為銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A* （Sagittarius A*），以及位於橢圓星系的超大質量黑洞M87（Messier 87，亦稱室女A）。  

相較於傳統的可見光望遠鏡，事件視界望遠鏡觀察的是人眼不可見的電波，波長處於毫米／次毫米範圍，主要用來偵測星際塵埃的熱輻射，或是星際雲氣的分子譜線──這些特性不但對黑洞觀測很有幫助，也是在可見光底下所看不到的。前面所提的，如格陵蘭望遠鏡，便屬於次毫米波電波望遠鏡，因其波長比毫米波更短，可以得到更好的分辨率。目前的事件視界望遠鏡，整體解析度已增強到足以分辨出月球上的一顆柳丁（雖然月球上並沒有柳丁）。 

  參與完成這項觀測的望遠鏡共有：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（IRAM），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（ARO）、南極望遠鏡（SPT）；其中，由中研院支援的有SMA、ALMA、JCMT。

事件視界望遠鏡（Image courtesy of EHT; from Jean-Pierre Luminet, La Recherche, Vol. 533 ）

黑洞啊黑洞

那麼，黑洞到底是什麼？黑洞觀測又有什麼稀奇的呢？科學新聞或科普書裡，不是一天到晚提黑洞嗎？

「星際效應」電影中對黑洞的模擬圖像（圖片來源：Paramount Pictures）。

 

根據愛因斯坦的廣義相對論，宇宙中可能存在某些特殊的緻密天體，具有強大的重力場，以致在其附近的一定範圍內，沒有任何東西（包括光）能夠逃離──我們稱為「黑洞」；而光能夠／不能夠脫離的區域交界，稱為「事件視界」。當提到黑洞半徑，通常指涉的即為事件視界；若把地球壓縮成黑洞，那麼其事件視界半徑會比1公分略小一點。  

雖然我們確實從很多天文觀測得到黑洞存在的證據，但礙於技術問題，人類卻從未直接觀測到黑洞及其事件視界；換言之，即使目前大多數科學家都肯認黑洞，但其存在還算不上是鐵錚錚的事實。況且，就算黑洞真的存在，其長相會跟我們利用電腦模擬出來的一樣嗎？恐怕也是個問號。黑洞的直接觀測，不但可一舉解決上述問題，對於黑洞的性質[2]與一些未解之謎，或許也能得到些許釐清；若運氣好，發現和理論預測不同之處，更可對未來的理論發展、甚至廣義相對論的修正帶來啟發。 

我們看到了什麼？ 

現在（2019年4月10日），人類對黑洞直接觀測的付之闕如，正成為過去式。事件視界望遠鏡發布了最新的觀測結果，成功捕捉到超大質量黑洞M87的影像，這是第一次正式的黑洞「視覺證據」。這個影像有兩個重點，一是中間的黑洞陰影（形狀與黑洞自身的旋轉有關），二是不對稱的光暈（稱為光子環，不對稱乃黑洞陰影所致）；事件視界便隱藏在黑洞陰影之內。M87具有六十五億倍的太陽質量，距離地球約5500萬光年。初步顯示，觀察到的黑洞樣貌與廣義相對論的預測吻合，但黑洞的相關細節和特性還有待後續觀察與進一步分析。 

根據新聞稿，「EHT透過調校和成像方法，結果都重複顯現著中心有一黑暗區域的環狀結構：即『黑洞陰影』。Heino Falcke，EHT科學委員會主席，荷蘭Radboud大學教授解釋：『如果周圍明亮，我們預期黑洞會形成一個黑暗區域，類似陰影，這是愛因斯坦廣義相對論預測過會出現的東西，但過去從沒有人見過。』」 隨著黑洞現身，人類對宇宙的認知又更上一層樓，後續相關研究勢必如火如荼展開。黑洞的神秘面紗，不只將逐漸被掀開，我們也有幸成為歷史上首度得知黑洞樣貌的一輩。浩瀚的宇宙，埋藏著龐大的未知，等待人類的探索。

中研院記者會之後的大合照，大家手比黑洞影像的……形狀？

 註釋：

• [1] 架設格陵蘭望遠鏡的細節過程，讀者可參考這裡。
• [2] 如了解黑洞吸積盤（accretion disc）和相對論性噴流（relativistic jets），也是事件視界望遠鏡的主要目的。在此暫不多做介紹。
• 相關資料由中研院天文所提供。