2022 年 5 月 12 日是個大日子，這天人類終於取得第二顆黑洞的觀測影像！這顆黑洞名為人馬座 A 星（Sagittarius A*，Sgr A*），位於銀河系中心。為了成功拍到 Sgr A*，天文學家必須克服重重困難，包括黑洞周圍環繞物質變動太快，或宇宙塵埃與星雲的雜訊干擾等。不過黑洞和日常生活有關嗎？為什麼看見黑洞這麼重要？科學家又如何找到這顆黑洞的？中央研究院「研之有物」專訪院內天文及天文物理研究所通信研究員賀曾樸院士，請他解答對黑洞的各種好奇。
▲ 中研院天文所通信研究員賀曾樸院士，任職中研院天文所所長 10 年，至今仍持續推動天文學進展，積極提攜後進。
深空仰望銀河系中心
天文學家很早就開始有系統觀察銀河系中心的電波訊號。1933 年 Karl Jansky 透過自己架設的天線裝置，首次記錄到人馬座的銀河系中心有 20MHz 未知電波發射源。後續電波天文學研究對銀河系中心一直很感興趣，且把這電波源稱為人馬座 A 星。
賀院士提到，中研院天文所前籌備處主任（所長）魯國鏞院士，1985 年讀博士時，對銀河系中心電波源做了最早干涉儀測量，當時魯院士推測來源可能是個大質量黑洞。
接著 1992 年開始，兩位天文學家 Andrea Ghez 和 Reinhard Genzel，利用先進干涉儀器觀測銀河系中心周圍的恆星運動長達 20 多年，發現這些恆星的橢圓軌道似乎都繞著共同焦點（如下圖）。
試問宇宙有「誰」重力這麼大、範圍又這麼小？超大質量黑洞是最合理的解釋。這也讓 Ghez 和 Genzel 獲得 2020 年諾貝爾物理獎榮耀，因「發現銀河系中心是一個超大質量的緻密天體」；另一位得獎主是 Roger Penrose，原因是「證明廣義相對論可靠地預測黑洞的形成」。
▲ 天文學家 Andrea Ghez 和 Reinhard Genzel 利用先進干涉儀器觀測銀河系中心恆星運動長達 20 多年，發現這些恆星的橢圓軌道都繞著共同焦點，超大質量黑洞是最合理的解釋。（Source：UCLA Galactic Center Group）
至此，科學家已得知銀河系中心黑洞很可能存在，接下來就要找到黑洞直接證據：看見黑洞。
事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）聯盟 2017 年創立，串連全世界研究人員一同構建足以觀測黑洞的電波望遠鏡陣列，同年完成兩個超大質量黑洞的初步觀測──銀河系中心黑洞 Sgr A* 與 M87 星系中心黑洞，當時有 8 座電波望遠鏡貢獻解析力，中研院就參與 3 座望遠鏡（SMA、JCMT、ALMA）研發、建造與運作。
2019 年 4 月 10 日，人類取得史上第一張黑洞照片！首次看見 M87 星系中心的超大質量黑洞，有明確的中心陰影和周圍明亮的環狀結構。
2022 年 5 月 12 日，終於揭開銀河系中心黑洞的祕密，取得人馬座 A 星直接影像證據，是離我們最近的黑洞，也是目前唯二能觀測到的黑洞！
▲ 銀河系中心的黑洞影像，又名為人馬座 A 星（Sgr A*）。（Source：EHT）
銀河系家園的「小」巨獸：人馬座 A 星
人馬座 A 星（Sgr A*）就像一隻「小」巨獸，說它巨，是因 Sgr A* 陰影直徑為太陽 43 倍，質量高達太陽 400 萬倍，是住在地球的我們難以想像。不過和 M87 黑洞一比，Sgr A* 又顯得很「小」，因 M87 黑洞陰影直徑為 Sgr A* 的 2 千倍，質量也是 Sgr A* 的 2 千倍（如下圖）！
▲ 人馬座 A 星（Sgr A*）和 M87 黑洞的大小比較，M87 黑洞直徑是 Sgr A* 的 2 千倍，質量也是 Sgr A* 的 2 千倍。（Source：中研院天文所）
奇妙的是，如果從地球觀測人馬座 A 星和 M87 黑洞，兩個黑洞看起來差不多大！WHY？這是因人馬座 A 星離地球比 M87 黑洞近約 2 千倍。從地球看兩個黑洞，剛好在天空形成一樣大的張角（註 1）。
從圖片可看到，人馬座 A 星和 M87 黑洞結構很類似，周圍都有發光環狀結構（吸積盤）、中心陰影也都很明顯。不過要如何從地球看見黑洞？
首先，不能用光學望遠鏡，必須使用電波望遠鏡看黑洞。電波和可見光主要差別是波長，可見光波長平均 0.5 微米，EHT 電波望遠鏡觀測波長則約 1 公釐，兩者相差約 2 千倍。
賀院士強調，為了接收遙遠星系訊號，必須選擇不受塵埃影響的波長，電波波長比灰塵大得多，因此可穿透塵埃，收到來自銀河系中心的訊號。反之，可見光很容易被塵埃擋住。
▲ 為了接收遙遠星系的訊號，必須選擇不受塵埃影響的波長，電波波長比灰塵大得多，因此可穿透塵埃，收到銀河系中心的訊號。（Source：EHT、中研院天文所）
不過就算是銀河系中心，還是離我們很遠，要如何看得清楚？
賀院士說，波長和電波望遠鏡的「視力」（角解析度）有關，波長愈小、角解析度越好。因此波長也不能太大，否則會導致最終影像解析度不足，並影響天線精確度。技術和建置成本考量下， EHT 選擇次毫米波波長（0.5~1 公釐），1 公釐是目前最適合的觀測波長，可輸出黑洞影像解析度 3×3 畫素。
咦，圖片解析度只有 3×3 畫素？其實電波望遠鏡的「視力」（角解析度）已非常高，這次觀測到人馬座 A 星的陰影直徑張角約 50 微角秒，是天空張角 1 度的億分之一，相當於從地球看月球上一個甜甜圈的大小。未來 EHT 觀測波長將使用 0.5 公釐（660GHz）取得更高解析度，預計可達 15×15 畫素。
▲ 格陵蘭望遠鏡（GLT）和高頻觀測技術支援下，黑洞照片解析度可望提升到 15×15 畫素。圖為 M87 黑洞。（Source：研之有物）
除了波長，電波望遠鏡口徑也是影響角解析度的因子，口徑越大、角解析度越好，但人類現在不可能做出和地球一樣大的望遠鏡，為了讓地表有限的電波望遠鏡模擬巨大望遠鏡效果，必須使用特長基線干涉（Very-long-baseline interferometry，VLBI）技術，讓不可能成為可能。
VLBI 技術採用口徑合成（Aperture synthesis），當地球自轉，地表望遠鏡可在不同時間逐漸涵蓋訊號接收範圍，讓世界各地 EHT 望遠鏡陣列產生等於地球直徑的巨大望遠鏡效果，請參考以下影片。
這意味我們要從有限視野看黑洞，因此科學家使用原子鐘、同步器確保每座望遠鏡訊號同步，每望遠鏡內有超導體接收器確保接收訊號，因電波訊號溫度相當低（僅 3K）。最關鍵的是，研究人員要非常了解可能產生的偏誤，如地球自轉、大氣層影響、星際散射等，逐步修正數據。
特別是銀河系中心黑洞 Sgr A*，除了要排除眾多塵埃和星雲干擾，Sgr A* 距離地球較近，尺寸又小，所以周圍物質繞一圈的時間比 M87 黑洞快很多，地球自轉速度跟不上。當我們在地表使用 VLBI 技術觀測 Sgr A* 時，就好像在拍一隻快速追著尾巴跑的狗，增加影像分析的困難。
目前天文學家已有一套成熟的除錯法，將混亂原始資料校正梳理成現在看到的黑洞影像。2017 年收到初步觀測數據後，研究團隊需要排除眾多干擾和錯誤訊號，因此直到 2022 年才公開影像。本次取得的銀河系中心黑洞影像，無疑將人類對黑洞的認知更往前推進。
接下來，「研之有物」編輯團隊為讀者收集一些有趣的問題，一起來看賀院士如何回答吧！
為什麼拍到黑洞很重要？科學家為何高度關注？
黑洞是宇宙重力最強的地方，事件視界之內，光和資訊都無法逃脫，我們如果可以拍到想像中「看不到」的黑洞將會非常有趣。
2022 年人馬座 A 星和 2019 年 M87 黑洞都屬於超大質量黑洞，也就是質量有太陽幾十萬到幾十億倍以上。這類黑洞存在各個星系中心，我們目前還不知道這類黑洞如何形成，因此需要更多黑洞影像的直接證據以確認，如溫度多高、密度多少等。
從理論看，黑洞的觀測證據也有助我們驗證愛因斯坦的相對論是否正確。
為什麼只拍到兩個黑洞？其他黑洞呢？
因為宇宙很多小型黑洞無法觀測，以目前 EHT 角解析度來說，我們可以拍到最大的黑洞是 M87 黑洞，最近黑洞是人馬座 A 星。10 年內當提高角解析度，就能捕捉到其他星系的超大質量黑洞照片。
為什麼每個星系中心都會有超大質量黑洞？
天文學家還不知道超大質量黑洞如何形成，以及為什麼會位於星系中心。目前只知道，超大質量黑洞位於每個星系重力位能井中心。但超大質量黑洞可能宇宙誕生初期就形成，成為星系生成的「種子」。
天文學家如何定位銀河系中心？
一個星系中，所有恆星都會繞著星系中心轉，就像太陽系行星也會繞著太陽轉。因此可從旋轉運動找到銀河系最中心位置。獲得諾貝爾物理獎的 Genzel 和 Ghez 就是觀測銀河系中心附近快速旋轉的恆星，精準確認位於軌道焦點的超大質量緻密天體（也就是黑洞）位置。
為什麼銀河系中心黑洞會有三個特別亮的區域？M87 黑洞周圍怎麼沒有這三個亮區？
人馬座 A 星周圍環狀結構的三個亮點，可能與周圍物質快速旋轉擾動有關。這些亮點存在時間尺度約數分鐘至數小時，觀測解析度可捕捉到這些變化。M87 黑洞的環狀結構也可能有這些亮點，但 M87 黑洞構造的時間變化尺度更長，目前觀測解析度還無法看到。
為什麼觀測銀河系中心黑洞和 M87 黑洞時，黑洞旋轉軸都剛好對著地球？
黑洞旋轉軸是由黑洞形成過程累積的總角動量決定。黑洞轉軸可是任意方向，取決於這顆黑洞的歷史。不過黑洞旋轉軸剛好和視線垂直的機率很低，因此我們很可能總是看到黑洞旋轉軸以某種角度指向地球。
黑洞影像是人工上色，為什麼選溫潤的紅橘色而不是藍色？
因為幾乎所有天文數據都是用可見光以外波長取得，所以儀器收集到的光其實人眼並不可見。EHT 計畫看到的是次毫米波長光（波長約 1 公釐），天文學家使用有代表性的顏色為圖像「上色」。
使用紅橘色表示黑洞環狀結構，是為了傳達一個概念：環的溫度非常高，黑洞周圍吸積物質溫度比太陽熱多了。雖然天文學的藍色天體溫度更高，但我們採用大眾熟知的「紅＝熱」概念。
黑洞「背面」看起來會如何？會和照片類似嗎？
從宇宙另一端也會看到環狀結構，因黑洞中心強大的重力場，會讓光線像穿過「透鏡」產生彎曲，這就是「重力透鏡效應」。
然而從背面觀測還是有不太一樣的地方。以 M87 黑洞為例，從地球看過去，黑洞環較亮底部區域，是由都卜勒加速（Doppler boosting）造成，環的亮部正向觀察者移動。
反之，如果從 M87 黑洞的「背面」看過去，環底部區域將遠離觀察者，頂部區域會向觀察者移動，因此黑洞「背面」的觀察者將看到環的頂部區域特別亮。
黑洞會吸收能量和排放能量嗎？吸收量是否等於排放量？
無論愛因斯坦理論預測和觀測結果都指出，黑洞陰影內所有輻射，都將向黑洞中心彎曲，黑洞陰影邊界約為事件視界 2.5 倍大。
所謂事件視界，就是所有光和物質都被黑洞吸進去的邊界，光和物質能量會被黑洞吸收。事件視界和陰影邊界的中間地帶，光和物質則被黑洞「捕捉」至緊密軌道。陰影之外，光和物質才得以逃脫。
因此黑洞只會吸收輻射，不會放出輻射（註 2）。我們看到的輻射（光環），以及看不到的輻射（被黑洞吸入事件視界），這些輻射都來自黑洞周圍的吸積物質。
黑洞和人類的生活有什麼關係？（如太陽、月亮影響地球潮汐、晝夜等）
黑洞都離地球相當遠，恆星終結狀態的小黑洞亦然，因此黑洞透過輻射或重力對地球的影響，與太陽相比下幾乎可省略不計。然而正是人馬座 A 星的超大質量，讓銀河系盤面恆星都繞著銀河系旋轉，公轉一圈約需 2 億年。我們在地球天空看到的恆星和星系，也在這時間尺度內不斷變化。
純理論考量，如果人類可利用物質落入黑洞周圍吸積盤釋放的能量，會比核能發電更有效率。這是因釋放能量接近物質質量當量，核分裂或核融合的核能僅釋放質量當量很小部分。雖然現在聽起來有點科幻，但當年瑪麗居禮（Marie Curie）首度發現放射性材料後，人類其實很快就製造出核反應爐。
科技新報粉絲團
加入好友
訂閱免費電子報
