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2019年4月第一張室女座M87星系中心的超大質量黑洞的影像，讓黑洞從神秘且難以想像的概念中鮮活地展現在世人面前。然而，這僅僅是廣大宇宙中的一個黑洞，我們能否看見其他黑洞？

事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）團隊在三年後，揭開了第二個超大質量黑洞的影像。

EHT團隊將全球多座毫米波／次毫米波望遠鏡連結起來，形成一個有如地球般大小的巨大虛擬電波望遠鏡，以此來看見黑洞。在2019年所發表的M87星系黑洞，是團隊以2017年為期十天的觀測數據所產出。同一個時段，EHT也觀測了另外一個位於銀河系中心的超大質量緻密天體——人馬座A星（Sagittarius A*, Sgr A*）。這幾年間，團隊陸續發表了多幅M87黑洞的相關影像，卻一直沒有Sgr A*的消息。

直到今（2022）年5月12日臺北時間晚間九點零七分，中央研究院與美國國家科學基金會（華盛頓特區）、歐州南方天文台（慕尼黑）、ALMA天文台（聖地牙哥）、日本國立天文台（東京）、墨西哥科技委員會（墨西哥市），以及上海天文台，七處共同連線宣布一個重大成果——EHT用觀測數據證實了銀河系中心的超大質量緻密天體，就是個黑洞！

首張銀河系中心黑洞「人馬座A星」的照片。（EHT Collaboration）

「40年前，我剛拿到博士學位，有人問我『我們能研究黑洞嗎？』，我回答他『不可能，黑洞太小、訊號太微弱，也太遠了。』40年後，我們做到了！」中央研究院院士暨中研院天文所特聘研究員、同時也是代表臺灣團隊出任EHT的董事賀曾樸這麼說。

這個黑洞好難拍

上次看見的M87星系黑洞位於室女座A星系中心，與地球距離5500萬光年，具有65億個太陽質量；而這次的人馬座A星，距離地球2萬7000光年，是目前已知離我們最近的超大質量黑洞，有400萬個太陽質量。相較起來，Sgr A*比M87距離地球近，雖然兩者都屬於超大質量黑洞，但Sgr A*的實際大小和質量都小了2000倍。

由於沒有光可以從黑洞中逃出，因此科學家要看見黑洞，看的不是黑洞本身，而是透過周圍發光的氣體來做觀測。這些氣體在黑洞周圍以近似光速旋轉，繞著M87星系黑洞的氣體，繞一圈要數天到數週，然而繞Sgr A*黑洞的氣體只要幾分鐘就可以繞完一圈。賀曾樸表示，這表示在EHT觀測的十天當中，Sgr A*黑洞的結構因為氣體旋轉一直在快速變化，要拍到這張黑洞照片難度提高許多。EHT科學家陳志均（Chi-kwan Chan）形容，「像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」。除了旋轉速度之外，從地球看向銀河中心，還會遭遇氣體團塊的干擾，會扭曲成像，若要能得到如M87黑洞般清楚的照片，校正技術和成像方式就得重新開發，且勢必更為複雜。這使得團隊得花更多時間，而且更為小心地處理手中的觀測數據。

在美國華盛頓特區的記者會現場，加州理工學院副教授布曼（Katie Bouman）則用了另外一種方法形容分析Sgr A*影像的困難度。她說，用EHT觀測黑洞，就像是在缺鍵的鋼琴上彈一首曲子，我們可以透過剩下的琴鍵彈奏出的旋律辨識出是哪首曲子，然而Sgr A*黑洞的狀況，是這首曲子不僅在缺鍵的鋼琴上彈，更邊彈邊轉調。

EHT的影像分析團隊就是要搞清楚這首曲子完整的樣子，但缺漏之處有各種的可能性，該怎麼做才好？團隊決定那就先把各種可能性都模擬出來，因此他們用不同演算方式模擬出上百萬個符合EHT觀測數據的黑洞影像，他們發現這些影像可以依照特徵分成四大類，其中三類的黑洞影像都呈現甜甜圈或環形，只有一類不是。接著團隊不斷透過觀測數據和模擬，終於有足夠的證據證實Sgr A*黑洞依然有著甜甜圈的外型。

那一年，差點錯失觀測銀河系中心的良機

這次能順利公布Sgr A*黑洞影像，臺灣團隊的貢獻有目共睹。

臺灣在這次Sgr A*黑洞影像觀測的八座電波望遠鏡中，就支援了其中三座（SMA、JCMT和ALMA）的建造與運作；整個EHT計畫涵蓋全球超過300名研究員、工程師，約有40名來自臺灣，大多來自中研院天文所，參與在不同工作環節中，包含EHT計畫管理、撰寫觀測提案、收集數據、校正數據、影像成像、透過各種理論對黑洞結構進行建模、撰寫論文，以及大眾科普等。

而較少人知道的事，臺灣團隊是讓2017年這次Sgr A*黑洞觀測順利進行的救星。

EHT團隊集結多台世界各地的電波望遠鏡，但並非每一次觀測都會派上所有的望遠鏡，要看每一次的目標位置而定。在觀測銀河系中心時，南極望遠鏡具有非常關鍵的角色，如果沒有它，觀測基線（也就是兩座望遠鏡間最遠的距離）可能就不夠長，不足以讓我們看到Sgr A*。中研院天文所研究員陳明堂提到，當年南極望遠鏡差點沒辦法運作，因為他們少了一臺「高精準原子鐘」。

前面提到EHT的運作原理是透過串連世界各地的電波望遠鏡，形成一個虛擬的巨大望遠鏡，進而提高它的解析度。為了要達到這個目標，在這些位置相差很遠的望遠鏡裡的所有儀器都得精準同步操作，才可以一起收到後續能分析的數據。因此，科學家需要在每一個望遠鏡站點設置「氫原子鐘」（H-maser），作為同步訊號源。

當時的南極望遠鏡沒有經費、一時半刻也沒辦法取得一臺可用的氫原子鐘，眼看就要開天窗無法參與重要的觀測之際，由於臺灣參與的格陵蘭望遠鏡還沒有開始運作，於是我們伸出援手，將原子鐘借到南極，支援了該次的觀測。「很高興能在這個關卡上，貢獻我們的力量。」陳明堂說。

看見第二個黑洞的科學意義

EHT團隊將Sgr A*黑洞戲稱為「潛藏在我們家園後院的巨獸」，更在記者會拍照時請與會貴賓以右手比出似獸爪的手勢，來代表它。這隻黑洞巨獸的第一張影像，與2019年的M87星系黑洞一樣，呈現一個環形，再次驗證了愛因斯坦的廣義相對論測，「黑洞事件視界外的強大重力，足以彎曲光子的運動軌跡，在幾乎圓形的黑暗球狀陰影外，會有一圈明亮的光環。」新聞稿中這麼描述。

2020年的諾貝爾獎得主德國科學家根策（Reinhard Genzel）、美國科學家吉茲（Andrea Ghez）二人透過長期追蹤銀河系中心恆星運行的軌道，發現許多恆星會繞著一個中心旋轉，間接地證實了銀河系中心可能有個超大質量黑洞存在。而這次EHT團隊的Sgr A*影像，則提供了一個直接的觀測證據，而且還比根策和吉茲的觀測更接近黑洞本體。賀曾樸在記者會上表示，二位諾貝爾物理獎得主觀測的S2星，離Sgr A*有120天文單位之遙，而EHT的觀測則比他們近了1000倍！僅僅一張影像，背後代表的是我們對於自家後院的巨獸有了更多了解。

此外，賀曾樸也說，如果僅是2019年Ｍ87黑洞的影像，仍有很多人不相信我們真的能看到黑洞，第二張黑洞照片的重要意義，在於可以驗證和說服大家我們的模式是正確的。

EHT邁向下個世代

2014年啟動的EHT，經歷了8年的營運，也有了一些令人驚豔的成果，但他們不能停下來，因為還有太多想要知道的。

美國國家科學基金會補助推動的次世代EHT（next generation EHT, ngEHT）預計納進更多臺位於世界上不同角落的電波望遠鏡，像是提供經費讓小型的電波望遠鏡能夠調整成可以加入現有EHT望遠鏡觀測的模式，藉此提高解析度，將黑洞看得更清楚更仔細。

賀曾樸形容，EHT就像一個破碎的鏡子，當你把愈多碎片拼起來，自然可以看到更多影像、減少漏掉資訊、錯誤的可能。隨著更多電波望遠鏡的加入，也能使團隊看到宇宙中較弱的訊號源，有機會能看見黑洞噴流或它捕捉周圍物質的過程。

EHT團隊從望遠鏡到參與人員，一直在不斷擴大，即使團隊有共同目標，依然不免陷入人多嘴雜、事情更多又更難得到讓所有人滿意結論的狀況。賀曾樸說，「即便再不願意，只要超過兩個人的事情就會牽扯到政治。」身在EHT董事會中的他描述，EHT董事會議四週一次，從執行團隊的進度追蹤、經費的來源、論文投稿、記者會發布等大事，一路到論文作者排列順序、團隊中爭端、騷擾等瑣碎的事件，都需要討論出一個制度，來維繫團隊穩定運作。

近年來他們關注於培養年輕一輩的研究員，因而在EHT原有的科學理事會（Science Council）外，又多新增了青年科學理事會（Junior Science Council）。這兩個理事會主要功能是設定這個觀測計畫要討論的科學議題，設立青年科學理事會希望能讓年輕學者有更多的發聲機會。賀曾樸說，現在團隊中的主要領導人仍多為年紀較大的白人男性研究員，但透過這幾年的經營，他們也逐漸培育了能夠在團隊中挑起大樑的女性以及青年研究員，例如目前在中研院天文所副研究員淺田圭一（Keiichi Asada）之後，接棒進入科學委員會的小山翔子（Shoko Koyama），以及在青年科學委員會中的羅夢柔（Cristina Romero-Canizales），二位分別是中研院天文所的訪問學者以及博士後研究員。

要在逐漸擴大的EHT團隊中，讓臺灣依舊佔有一席之地，甚至讓世界看見臺灣的重要性，團隊從一開始就設定好了長遠的策略。賀曾樸說，在30年前中研院天文所剛成立之初，就強調不只是去使用國際上的望遠鏡，更是要自己投入建造望遠鏡及相關儀器。累積至今，我們在EHT現有的11座望遠鏡中，臺灣團隊投入建造及營運的就有4座。陳明堂說，「臺灣小國寡民，資源有限，做不來大型的儀器，但是我們掌握夏威夷和格陵蘭的位置，所有要觀測黑洞的計畫，若需要使用這些儀器，就必須跟我們合作。」在夏威夷有次毫米波陣列（SMA）和詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡（JCMT）兩座，加上位於最北端的格陵蘭望遠鏡（GLT），以及全球最大的電波望遠鏡陣列——阿塔卡瑪毫米及次毫米波陣列（ALMA），都有臺灣製作的儀器以及臺灣的團隊維繫著觀測運作。

改寫重力研究

在與賀曾樸院士訪談的尾聲，我想起EHT團隊於2021年獲得了獎金高達300萬美元、有科學界奧斯卡獎之稱的「突破獎」，很好奇團隊會不會期待哪一年獲得諾貝爾獎的肯定？賀曾樸聽到我的問題，笑了一下回答，「你知道我們不會為了得獎而去做研究」。正當我想著這就是可以預料的科學家回答時，他話鋒一轉說道，讓我換個方式回答你的問題，我們可以用三種方式了解重力與黑洞：第一個是「聽」，這也就是重力波（gravitional wave）研究，LIGO團隊獲得了2017年諾貝爾物理獎；第二個是「感受」，觀測到S2星繞銀河系中心超大質量天體的軌跡，是2020年的得主；第三個就是實際「看到」，EHT用黑洞的影像讓大家真的能看見重力。

「我們在做的是非常基礎的研究，我們研究重力，而黑洞是我們的實驗室，」賀曾樸說，「而我們的成果正在改寫這個領域。」