望向黑洞事件視界：不穩定的發光甜甜圈
用科學捕捉黑洞影像
黑洞是一個連光都無法逃脫的天體，人類要如何「看見」黑洞？更明確的是，要如何「看見」重力？過去，黑洞的存在只能用間接證據推測。直到 2019 年，事件視界望遠鏡（EHT）國際團隊發布人類史上第一張黑洞影像，就此震撼全世界。中央研究院「研之有物」團隊邀請中研院天文及天文物理研究所訪問學者卜宏毅至臺北國際書展演講，作為 EHT 團隊的核心成員，他親自參與觀測黑洞的計畫，他將告訴我們人類如何觀測黑洞，以及黑洞最新的研究成果。
事件視界望遠鏡與國際合作計畫
中研院投入黑洞基礎科學研究已經有 30 年之久，除了研發、建造與運作重要的望遠鏡之外，還有發展黑洞影像理論，以及參與黑洞影像的數據分析與模擬。卜宏毅以電波望遠鏡作為演講開場：「電波望遠鏡跟一般看星星的天文望遠鏡不一樣，天文望遠鏡是直接用肉眼看，接收可見光。電波望遠鏡接收的訊號是無線電波（Radio）。」
「目前中研院天文所和四座電波望遠鏡或陣列的運作有密切關係」，卜宏毅接著說，「這些望遠鏡位於夏威夷、格陵蘭和智利」。四座電波望遠鏡包含：
夏威夷的次毫米波陣列望遠鏡（Submillimeter Array），簡稱 SMA；同樣在夏威夷的還有馬克斯威望遠鏡（James Clerk Maxwell Telescope），簡稱 JCMT。在智利沙漠有一座大型望遠鏡陣列，稱為阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array），簡稱 ALMA，這是目前最大的地面望遠鏡陣列，共有 66 座望遠鏡一同協作。
第四座是在北極圈內的格陵蘭望遠鏡（Greenland Telescope），簡稱 GLT。卜宏毅提到：「格陵蘭望遠鏡是中研院天文所主導的合作計畫，中研院天文所將 ALMA 的原型機改造之後，讓望遠鏡能在極地環境中良好運作。」
格陵蘭當地大氣稀薄、幾乎沒有水氣，可以大幅減少大氣層對電波訊號的吸收；而且 GLT 和其他三座望遠鏡剛好形成大三角形，將訊號整合之後，可以模擬成超巨大望遠鏡，鏡頭口徑相當於地球直徑，有強大的解析能力。
除了這四座望遠鏡之外，還有其他分散在世界各地的望遠鏡陣列。觀測黑洞不是單一團隊可以做到的事情，全球科學家們組成了「事件視界望遠鏡」（Event Horizon Telescope, EHT）國際合作團隊，利用特長基線干涉儀（Very Long Baseline Interferometry, VLBI）的技術觀測黑洞樣貌，一起努力推進人類的天文知識領域。
卜宏毅是 EHT 團隊理論小組的核心成員，親自參與觀測黑洞的計畫，他解釋「事件視界」（Event Horizon）代表黑洞的重要性質——任何光和物質都被黑洞吸進去的邊界，無法逃離重力，無法回到外面的宇宙。
一般來說，物質表面是實體可以用手接觸到的，但是黑洞不一樣，黑洞的表面是由光去定義的，它很像是沒有出口的無盡深淵，一旦進入了這個時空的單行道，就只能往內部前進，永遠無法回到黑洞外面。而這個虛擬的黑洞表面，就是「事件視界」。
黑洞的「暗影」：重力扭曲光線的結果
黑洞是宇宙最緻密的天體，強大的重力會讓周圍時空極度地彎曲，詳細請回顧這篇文章〈奇奇怪怪的黑洞：重力是時空彎曲的體現〉。那麼從地球往黑洞方向看，會看到什麼？先看下面的影片，因為黑洞的重力，周圍光線有的會被捕捉，有的則被彎曲，當遠方觀察者看向黑洞的時候，將會看到一圈厚厚的「甜甜圈亮區」（吸積盤的光），中間則是光線所烘托出的黑洞「暗影」（shadow）。
黑洞的「暗影」不等於「事件視界」的大小，因為光線彎曲的關係，黑洞暗影的邊界大約是事件視界大小的 2.5 倍大。
示意動畫，黑洞強大的重力使光線彎曲，遠方觀測者可以看到黑洞的「暗影」，彎曲的光線除了烘托出黑洞暗影，也形成了圓形的「甜甜圈亮區」。影｜ehtelescope
為什麼目前人類只觀測到兩個黑洞？
人類已經成功拍攝到兩個黑洞，分別是 M87 星系中心的黑洞（M87 黑洞），以及銀河系中心的黑洞（人馬座 A 星，Sgr A*）。卜宏毅強調，宇宙中的黑洞不只兩個，那為什麼目前只拍到這兩個黑洞系統呢？這和儀器解析度、黑洞距離和黑洞暗影大小有關，例如當我們要拍一顆蘋果，蘋果離我們愈近、愈大當然就容易拍得清楚。
首先，事件視界望遠鏡（EHT）的角解析度約為 20 μas（微角秒，角度單位），解析能力已經非常厲害，就像從地球看到月球表面的甜甜圈。20 μas 是目前觀測黑洞的技術限制，解析度的數值愈小，解析度愈好。
M87 黑洞又大又遠，暗影直徑約為一千億公里，距離地球約 16.8 Mpc（百萬秒差距，長度單位），暗影的張角大小約 40 μas；人馬座 A 星比較小，但是離地球很近，暗影直徑約為六千萬公里，距離地球約 8 kpc（千秒差距，長度單位），暗影張角約為 50 μas。
因此，在 20 μas 的解析度下，目前已知大大小小的黑洞中，就只有這兩個黑洞系統能夠被人類觀測到，其他的超大質量黑洞則需要更好的解析度才看得到，更不用說那些更小的恆星級質量黑洞了，暗影張角只有 0.001 μas 以下，請見下圖。
拍攝旋轉的狗狗：M87 黑洞與人馬座 A 星
在人類首次看到 M87 星系中心的黑洞之前，已經在可見光與電波波段看到這個星系有一個非常非常明顯的噴流（註1），這個噴流甚至比星系本身還要大。透過各種觀測與理論推測，科學家認為 M87 星系中心有個超大質量黑洞，而且是這個巨大噴流的源頭。
影片為歐洲南天天文台製作，逐漸放大 M87 星系，看見黑洞的巨大噴流，最後是星系中心的超大質量黑洞。影｜European Southern Observatory (ESO)
然而，在事件視界望遠鏡發展到足夠好的解析度之前，都無法真正確認黑洞的存在，以及黑洞的特性是不是和廣義相對論預測的一樣。直到 2019 年 EHT 團隊發表 M87 星系中心黑洞影像，以及 2022 年發表銀河系中心黑洞影像，證實了黑洞的存在與廣義相對論的描述相符。
那麼，事件視界望遠鏡為什麼花了這麼多年？甚至在相對論提出 100 多年之後，我們才真的有能力看到黑洞影像呢？
首先當然是要盡可能取得好的角解析度，觀測波長愈小，解析度愈好；望遠鏡口徑愈大，解析度愈好。
波長不能亂選，決定用哪個波長觀測和天體的特性有關。科學家經過研究天體的光譜特性，知道用無線電波段觀測，可以穿透宇宙中的雲層和塵埃，進而看見黑洞。再來，就是做出口徑夠大的望遠鏡，但是技術上我們不可能做出和地球一樣大的望遠鏡，那要怎麼辦？用合成的！
卜宏毅解釋，地面上不同位置的電波望遠鏡或陣列，平常各自獨立運作，但是當它們合作共同觀測同一天體，能隨著地球自轉在不同位置和時刻，取得觀測資料，就像是有個像地球那麼大的虛擬望遠鏡。
接著，經過複雜的數據校正和處理，最後才得到黑洞的影像，這一路上都有中研院天文所的貢獻。如果讀者對黑洞影像處理有興趣，可以看看這篇文章「從觀測到成像，重建銀河系中心黑洞影像為何需費時五年？」。
卜宏毅說，M87 黑洞和銀河系中心黑洞 Sgr A* 從地球上看過去，它們的大小是差不多的。
我們觀測到的黑洞影像，是由黑洞周圍發光物質所烘托出來的黑洞暗影。
他接著解釋下圖的比喻：「M87 黑洞質量很大，周圍發光物質繞行一圈的時間，比地球轉一圈的時間要久很多。所以我們拍攝 M87 時，就很像在幫黃金大狗拍一張幾乎靜態的照片。可是呢，銀河系中心黑洞就沒有那麼乖巧，它的質量要小很多，地球轉一圈的時間，銀河系中心黑洞附近的發光物質可以繞行黑洞好幾圈。拍攝銀河系中心黑洞，就像是拍一隻小狗的長時間曝光照片，而小狗正在以飛快的速度不斷追著尾巴跑（笑）」。
另外，卜宏毅進一步補充：「因為我們的太陽系在銀河系的盤面上，要拍到銀河系中心的黑洞，沿著盤面往銀河系中心看過去的時候，會有很多的星際介質，就像是圖片上的雨滴和玻璃，讓觀測的光線散射，這些都是分析的時候需要考慮進去的。」
解讀最新的甜甜圈：M87 黑洞的亮區偏移
EHT 團隊在 2024 年發表了 M87 黑洞的第二張影像，這張影像也是在格陵蘭望遠鏡加入 EHT 後的首次觀測（2018 年）成果。它和之前影像最大的不同，就是明亮的區域稍微往逆時針偏轉了 30 度。那麼科學家如何解讀這個現象？
首先，卜宏毅先解釋為什麼黑洞周圍會有一邊特別亮。黑洞在旋轉的時候，會造成時空的旋轉，時空的旋轉會對在時空中物體的運動造成影響。
2017 年和 2018 年觀測的 M87 黑洞影像，下方比較亮的「甜甜圈亮區」暗示了黑洞周圍物質朝向觀察者移動；上方「甜甜圈暗區」則暗示了黑洞周圍物質遠離觀察者運動，此為強重力場中的相對論性都卜勒效應（Relativistic Doppler effect）。這兩次觀測讓科學家合理推測，M87 黑洞的自轉軸是遠離地球觀察者的方向（如下示意圖）。
儘管 2017 年和 2018 年的 M87 甜甜圈亮區都偏向下方，但 2018 年的 M87 亮區稍微往逆時針偏轉了 30 度，這個小小的變動，對於理解黑洞周圍吸積流內部的動態亂流（turbulence）結構非常重要，且能夠更進一步的幫助我們了解 M87 黑洞與吸積流的詳細物理特性。
綜合 2017 年和 2018 年的觀測，以及精密的理論模型分析，EHT 團隊不僅提供了 M87 黑洞存在與自轉在「視覺上」的直接證據，更逐步描繪出黑洞周圍時空彎曲、物質運動的複雜圖像。未來，我們可以期待有更多黑洞「甜甜圈」的出現，人類觀測黑洞，不僅是對廣義相對論的驗證，也是對宇宙未知領域的不懈探索與挑戰。
Q:事件視界望遠鏡陣列有辦法再擴大嗎？例如把一顆電波望遠鏡發射到太空，讓合成口徑更大、解析度更好？
A:謝謝，很好的問題。剛剛看到 EHT 望遠鏡成員在地球上的位置分佈，其實在很多地方都還沒有望遠鏡，所以興建新的電波望遠鏡是其中一個努力方向。第二個就是剛剛說的，如果把一顆電波望遠鏡放在太空，就可以拉長望遠鏡跟望遠鏡之間的距離，達到更好的解析度。這樣的想法目前也有在談論！
還有另一個方法，也是目前中研院天文所格陵蘭望遠鏡團隊的努力目標，就是「改變觀測頻率」。波長愈小、頻率愈高，角解析度愈好，目前 EHT 的觀測頻率大約是 220 GHz，如果提高到 660 GHz，就可以獲得 3 倍的角解析度，看得更清楚。不過，提高頻率也會增加訊號損失，所以我們需要把格陵蘭望遠鏡搬到更高的峰頂，減少大氣層干擾，這是未來的目標。
想要看更多黑洞 QA 嗎？可以參考這篇文章「為什麼拍到銀河系中心黑洞很重要？如何看見黑洞？黑洞 QA 大集結！」。
註1：「噴流」是指速度接近光速的高能量粒子流，形狀通常接近細長帶點彎曲的兩側噴泉，我們目前只觀測到 M87 黑洞其中一邊的噴流。
本文轉載自《研之有物》。原文請<點此>