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2019-12-20臺灣也看得見星光 黑洞現形記：半年後再次沸騰的黑洞研究
456 期
Author 作者
趙軒翎／本刊副總編輯。因碩士論文開啟了中研院天文所研究計畫追蹤之旅，嘗試以「臺灣也看得見星光」系列連載與讀者分享臺灣的天文學發展。
今（2019）年4月黑洞第一張照片發表後，席捲全球報章媒體的頭條、焦點新聞，在社群媒體上也成為各界轉發的焦點。即便已經過了大半年，10月底臺灣中央研究院一年一度院區開放參觀活動 （Open House），策畫「黑洞」相關演講與主題特展，仍造成大轟動。
當天一早10:30開始的主題演講「前所未見—黑洞現形記」，9:30開放進場前就已經大排長龍，就連加開的同步直播演講廳都湧入大批民眾。一整天黑洞特展的人潮也不曾間斷，「黑洞」主題對於民眾的吸引力由此可見一斑。
筆者雖未擠入「黑洞現形記」演講主現場，但同步收看了直播，另外也觀看了其中一位講者陳明堂博士在此之後的校園演講，試著從兩個演講中擷取臺灣黑洞團隊近期演講的重點分享給讀者。
中研院天文所研究員陳明堂於北一女校園中的開放演講「黑洞現形記」，有許多來自外校的師生參與。（北 一女林郁梅老師提供）人類探索黑洞的歷程
現代的黑洞概念來自1915年愛因斯坦提出的廣義相對論，但科學家真正開始研究黑洞，起於1960年代。中研院天文所研究員陳明堂提到，當時天體形成的理論出現，又發現遙遠且能發出強烈訊號的「類星體」和「脈衝星」。在仔細研究後，科學家發現類星體不但是遙遠的星系，推測它的中心還有個超大質量的黑洞正在吞噬物質，才會有這麼強大能量釋放出來。
儘管如此，黑洞依然是個神祕到不行的存在，因為仍沒有直接的證據，能證實它真的存在。直到近10~20年黑洞研究才開始突飛猛進，如雷射干涉儀重力波天文台 （Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）在2015年9月和12月兩度「聽見」黑洞。這什麼意思？LIGO團隊偵測到兩個黑洞合併時所產生的重力波，短暫且微弱，但它所代表的意義卻有助於打開人類對黑洞的好奇。
接著，從1995年起就有一群科學家透過夏威夷的凱克望遠鏡（Keck telescope）和智利的甚大望遠鏡（Very Large Telescope, VLT），對準銀河系中心人馬座A* （Sagittarius A*）做觀測，記錄著可能離我們最近的超大質量黑洞。當時團隊觀測的並非黑洞本身，而是該區星體的移動， 經過20年的追蹤，他們發現有些星體在繞行過程突然急速轉彎，陳明堂表示這發現代表該區的黑洞，差點將星體吞食進去，但最終只是改變了運行方向。
然而，即便有不少間接證據證實了黑洞的存在，但「沒看到」始終是個問題。
看見黑洞的困難
黑洞真的很小。在演講中陳明堂這麼比喻黑洞的大小：一顆恆星依照它的大小，在死亡時由小到大會變成白矮星、中子星 和黑洞，小於5個太陽質量的恆星變成的白矮星，大約只有地球一樣大；較大質量的恆星在經歷超新星爆炸後會變成中子星，大約是臺北市的大小；或變成黑洞，可能只有臺北市大安區這麼大。
對於天文觀測來說，人眼可視的滿月， 在觀測時所佔據的角度約為0.5度；雙筒望遠鏡可看到的木星，約為1角分；距離40 公尺的人的頭髮，大約1角秒；而兩個最主要觀測的超大質量黑洞人馬座A*或是室女座M87，都只有幾十個微角秒，就大概是看一顆放在月球表面的棒球。
要觀測黑洞勢必得依靠無線電波望遠鏡，但即便是最強大的無線電波望遠鏡陣列，甚大望遠鏡或是阿塔卡馬大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡（Atacama Large Millimeter／submillimeter Array, ALMA）都只能看到萬分之一角秒。
事件視界望遠鏡
今年「看到」黑洞的幕後功臣為「事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）」，它並非單一個望遠鏡，而是由位於全球各地多個毫米波／次毫米波望遠鏡所構成。這個概念是建造一個跟地球一樣大的望遠鏡，透過串聯各地的電波望遠鏡，達到等同地球般大望遠鏡的解析度，藉此看到極小、極遠的黑洞。
這個概念在10年前就已經在天文界萌芽，此時中研院天文所的團隊已經敏銳地感受到，黑洞即將現形，在演講中提到 「已經不是how（怎麼看到黑洞），而是 when（何時看到黑洞）。」也因此積極布局，以「要當主角就要有貢獻」為目標， 盡快讓臺灣團隊加入EHT。
格陵蘭望遠鏡的誕生
其實中研院的團隊早已在EHT中。 全球第一組次毫米波陣列望遠鏡（SubMillimeter Array, SMA），八座天線中有兩座Made in Taiwan。而前面提到的ALMA， 臺灣團隊也參與其中，成為三大整合中心之一，著力許多。然而，在這些計畫中臺灣團隊始終不是主角。
在參與ALMA陣列的過程，有個機會讓中研院天文所團隊執行一個很瘋狂的計畫，這也讓他們一躍而成EHT重要的合作夥伴。原來，在製作ALMA的66座天線前，團隊曾試著製作了一台原型機，然而正式使用的天線製作完成後，這個原型機便沒有功用擺在美國新墨西哥州。後來由中研院天文所團隊取得原型機的使用權，他們將原型機從酷熱沙漠搬到冰天雪地的格陵蘭圖勒海軍基地，給了原型機一個新的生命，成為格陵蘭望遠鏡（Greenland telescope, GLT)。
陳明堂表示，在最初，EHT主要的望遠鏡都擺在南半球，因此以觀測南天的人馬座A*為目標；然而在格陵蘭望遠鏡加入後，EHT就能更清晰觀測M87黑洞。
今（2019）年EHT研究團隊獲得基礎科學突破獎（Breakthrough Prize），其中347 位得獎者中，有53位是中研院格陵蘭望遠鏡團隊的同仁。另外也獲得了美國國科會鑽石獎，以及臺灣中技社六十周年科學暨技術貢獻獎等肯定。
陳明堂分析格陵蘭團隊雖較晚加入EHT 計畫，但仍獲EHT組織成員肯定的原因， 來自於格陵蘭望遠鏡的獨特位置，能夠與美洲和歐洲望遠鏡連線觀測，增加觀測解析度；另外也因為格陵蘭望遠鏡已領先其他EHT團隊的望遠鏡，安裝能接收更高頻率訊號的接收機，成為更強大的觀測利器。
未來，GLT預計將從圖勒基地搬遷到海拔3200公尺的峰頂基地，以達到更好的解析度。
真正看到黑洞
中研院天文所元老之一的賀曾樸博士，為此次臺灣黑洞團隊的領導者，他在描述EHT分析出來的這張黑洞的照片時說： 「It’s Black and looks like a Hole.」來形容黑洞（black hole）照片幾乎如實呈現科學家之前的預測，中心黑漆漆，外圍有一圈光。
只不過，這外圍的光線並非均勻，而是部分較亮，部分較暗。這顯示了黑洞正在旋轉，直接打入黑洞的光線會被吸收，因此我們看到是黑色；而打到黑洞邊緣但沒有逃離的光，會圍繞著黑洞周圍旋轉，這個過程中有些光線會逃出黑洞，順著自轉方向逃離的光受到增強，因而較亮，逆向的光則被抵銷，掉入黑洞中，因此較暗。
EHT團隊在今年4月全球新聞發布會上， 公布的是他們於前（2017）年4月進行為期 10天的全球連線觀測結果，這次同時觀測了人馬座A*和M87兩個黑洞，因此在記者會上公布的為M87黑洞的照片。而GLT為 去（2018）年加入EHT觀測，相關數據也正在分析中，等待團隊進一步公布。
延伸閱讀
1. 趙軒翎，〈我把望遠鏡放在格陵蘭了！臺灣天文學家的極地冒險〉，第447期，2019年3月15日。
2. 趙軒翎，〈看見黑洞！ 從巨量資料「淘金」的影像成像之術〉，第449期，2019年5月15日。