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2019-05-01看見黑洞！ 從巨量資料「淘金」的影像成像之術
449 期
Author 作者
趙軒翎／本刊副總編輯。
2018年9月在韓國平昌，事件視界望遠鏡（Event Horizen Telescope, EHT）的黑洞影像成像團隊，四個原本獨立作業的小組在此集合，準備統整大家各自分析成像出來的影像，看這一波EHT的數據到底有沒有讓他們真的「看到」黑洞⋯⋯
參與黑洞影像成像團隊的臺灣大學物理所博士生羅文斌，回憶當時會議結束後的情景，由於團隊成員早已簽訂保密協定，因此隻字不敢提，但大夥們難掩興奮，在會場一角拍起了合照，照相時紛紛單手比出一個空心的拳頭，其中的意義不言而喻。
等到這個手勢真正躍上媒體版面，已是大半年後的事情了。
藏在黑洞影像背後的大功臣
2019年4月10日，全球媒體版面被同一個科學事件所攻佔，而其中一個關鍵的詞就是「黑洞」。「我們看到了我們過去認為看不到的，」EHT的計畫主持人多爾曼（Sheperd Doeleman）在全球記者會上這麼說，「我們看到了黑洞，並拍下這張照片。」照片中的黑洞剪影，真的看起來就像那個空心拳頭，空心的地方是黑洞，而手則是顯示黑洞周圍的光線。
得到這張照片的過程，可說相當不容易。
事件視界望遠鏡，其實是由散布全球的8個電波望遠鏡所組成的共同觀測計畫，這些望遠鏡分別位在美國、墨西哥、智利、西班牙和南極，結合成一個口徑幾乎是地球直徑大小的望遠鏡，讓科學家有足夠解析度的儀器來觀測距離人類非常遙遠、也非常神秘的黑洞。他們鎖定的目標，是在230吉赫（GHz）這個頻段上較容易觀測的兩個超大質量黑洞──室女座星系團中的M87和銀河系中心的人馬座A*（Sgr A*），其大小相當於數十萬到數十億個太陽質量（M_☉）。
龐大資料量的統整與淬煉
羅文斌說，每年4月初是EHT的觀測時間，這時每台望遠鏡會以每秒2GB的速度將觀測資料儲存到硬碟中，8個望遠鏡儲存的資料量可達5PB（相當於1024TB）。這個資料量有多大？一次觀測的數據就算拿5000台筆記型電腦的硬碟來裝，都裝不完。這些龐大的資料，經過團隊一步步的整理、運算和分析，最後出現在我們眼前的照片，只剩下小小的5MB，羅文斌開玩笑地說，整個過程就像是「現代淘金術」。
身在影像成像團隊中的羅文斌，屬於團隊中很早就看到黑洞剪影照片的人。如同他的指導老師淺田圭一博士，在接受《自由時報》採訪時曾表示團隊曾擔心因為觀測數據成像出來的黑洞剪影，與先前模擬的可能影像太過相似，而被認為是數據造假。羅文斌說，當時團隊真的有些擔心，害怕他們拿到的資料是錯的，也曾懷疑自己是否參加了一個「大型造假案」。
老早就看到黑洞的他們，花了更多時間去反覆驗證這個影像的正確性，到最後當他們在會議上看到其他小組的成果，才真正鬆了一口氣。
然而，要說透過這張照片，就能完全了解黑洞是什麼模樣，可能還有一點距離。
黑洞噴流去哪裡了？
在這張黑洞照片中「噴流不見了」，羅文斌說。黑洞噴流是許多目前科學家已知的黑洞特徵之一，它是位在黑洞中央向外噴射的強力物質流，而背後推動這個強大噴流的動力，就是來自於黑洞吞食的大量物質的能量。這次EHT團隊觀測的M87，是具有噴流構造的黑洞，其噴流方向與地球夾角只有17度，羅文斌形容它「就像是對地球直衝而來」。
為什麼照片上看不到噴流？羅文斌表示，團隊認為其中一個原因可能在於EHT中沒有適合長度的基線。前面提到，EHT的特點在於：兩個望遠鏡間最長的距離，相當於地球直徑，也就是它最長的「基線」長度，這距離高達上萬公里。而EHT中也有較短的基線，也就是兩台望遠鏡放得非常近，像是夏威夷大島放在同一座山上的次毫米波陣列（SMA）和詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡（JCMT）的距離就只有幾百公尺。「越長的基線可以解析越小的物體，」羅文斌說，基線的長度影響他們能看到的影像。在EHT中，缺乏中間長度大約是數百公里級的基線，這可能是無法看到噴流的原因。
驚艷瞬間，一切才正要開始⋯⋯
現在就讀博士班三年級的羅文斌，從大學畢業就誤打誤撞闖進了「黑洞」這個研究領域，他說這個領域有趣的是它能讓喜歡物理、數學和天文的人，都各得其所。喜歡物理層面的可以探討廣義相對論或是黑洞資訊悖論，數學可從現代微分幾何的角度去研究愛因斯坦場方程式的性質，而天文則可以透過觀測來描繪它的樣貌。其中羅文斌選擇了天文觀測及影像成像這條路，而他或整個團隊的工作不會因為這一張照片的公布就停止。
「EHT現在沒有競爭對手，」羅文斌說，「因此後續的觀測就更為重要。」團隊不會因為一次的結果就心滿意足，而是透過不斷的驗證、修正去讓我們更了解黑洞真實的樣子。接下來，臺灣團隊參與建造的格陵蘭望遠鏡也加入EHT的觀測工作，為團隊增加戰力。「我們還希望可以研究在黑洞這麼強的重力場下，在它附近的物質會受到怎麼樣的影響。」羅文斌說。
在一張黑洞照片引發全球討論的熱潮漸漸降溫之時，團隊仍舊沒有鬆懈，正繼續往他們的目標邁進。