望向黑洞事件視界：不穩定的發光甜甜圈

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波及次毫米波陣列（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，利用甚大基線干涉儀（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）。

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。

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？

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。

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。