- 文／泛科学编辑部（曹盛威、郭令钧、雷雅淇、侯郁家、刘品萱）
你看过黑洞吗？不论有没有，你都可以再靠近一点！这张就是黑洞近照：
还记得 2019 年 4 月拍摄到的第一张黑洞照片吗？那是来自 5500 万光年以外的 M87 星系。三年後的现在，也就是台湾时间 2022 年 5 月 12 日晚间，「事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）」举办全球记者会，公布人类史上第二张黑洞照片。
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第二张黑洞照片主角的所在地，你一定很熟悉，因为它跟我们一样都位在「银河系」——没错，银河系中心的超大质量黑洞首次亮相啦！这张轰动全球的照片为什麽如此振奋人心呢？一切都要从「银河系中心」开始说起。
我们怎麽知道银河系中心有黑洞？
银河系的中心到底有什麽呢？整个 20 世纪，科学家都在猜测这个问题的答案。
1933 年，美国贝尔实验室的工程师央斯基（Karl G. Jansky）在解决背景杂讯干扰无线电通讯的过程中，意外发现最强烈的干扰源是来自人马座方向的无线电短波，而这个方向正好指向银河系中心。後来，这个无线电波源的位置就被称为「人马座 A」。这是人类第一次使用可见光以外的电磁波段观测银河，从此开启了无线电天文学的发展。
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二战结束後，各国纷纷投入无线电天文学的领域。1970 到 1980 年代，随着科技不断进步，天文学家发现人马座 A 是由多重结构所组成。
1974 年，巴利克（Bruce Balick）和布朗（Robert Brown）使用更精巧的电波望远镜，发现人马座 A 的某特定区域释放出明亮且致密的无线电波，由於此特定区域是人马座 A 最活跃的地方，因此以原子激发态－*（念作 Star 或「星」）来表示，将其命名为人马座 A 星（Sagittarius A*）。
不知表面摄氏千万度是何许天体也
根据不同波长的电波与射线得到的观测结果，银河系中心简直是「金光闪闪、瑞气千条」，各个波段的电磁波应有尽有！其中，最耐人寻味的是 X 射线。为什麽呢？
根据黑体辐射原理（Black-body radiation），如果一个物体主要发出的是 X 射线，那它的表面温度估计超过摄氏 1000 万度。相较於我们的太阳，主要发出的是可见光，表面温度约为摄氏 5500 度。
这个「摄氏 1000 万度以上」的天体究竟是何方神圣？
1960 年代，天文学家姑且把这些未知天体称为「类星体（Quasar）」。一开始推测类星体可能是黑洞、中子星、脉冲星、超新星等等，而目前主流学界认为「类星体就是黑洞」。
而在黑洞的吸积盘上，高速绕行的物质会因剧烈的摩擦、碰撞，而产生高温与磁场，并且激发强烈的电磁辐射。
因此，天文学家认为，银河中心强烈 X 射线的来源可能是黑洞。
另外一种观测黑洞的方式是长时间纪录恒星的轨道。如果发现这些恒星正在绕着看不见的天体运行，这个天体就有可能是个黑洞。
2020 年的诺贝尔物理学奖得主是德国科学家根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家吉兹（Andrea Ghez）。他们透过当时世界上最大的光学望远镜，花了 30 年监看银河系中心，追踪附近恒星的轨道运动，发现人马座 A 星附近，有很多恒星快速地环绕运行。
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地球的运行速度最快只有每秒 30 公里，但在人马座 A 星附近，有一颗称为「S2」的恒星，最快甚至能以每秒 7000 公里的速度运行！而从 S2 的完整轨道与速度来计算，人马座 A 星的质量相当於 400 万个太阳，可是半径却只有太阳的 17 倍。这样极端的密度指向了一种可能性，那就是超大质量黑洞。
所以啦，早在 1990 到 2000 年代，「银河系中心有个超大质量黑洞」就成了整个天文界乃至全世界都有的共识。
至於超大质量黑洞是怎麽来的，目前还是个谜。
一般认为，黑洞是恒星死亡後的产物。但根据观测，这些超大质量黑洞在宇宙大爆炸後的七亿年就存在了。矛盾的是，那时的宇宙可以说是处在幼儿阶段，重力还在吸引星云聚集，成形的恒星屈指可数，完全无法解释为何会有恒星死亡变成黑洞。这也成了世界各地的天文学家争相研究的谜团。
有图有真相，人马座 A 星有照片吗？
这不就来了吗？2022 年 5 月 12 号，事件视界望远镜（EHT）公布了人马座 A 星的影像，请大家掌声鼓励！就让我们来解读这个最新的黑洞写真吧！
由於黑洞本身不发光，我们要观测的是黑洞周围的光线被吃掉的范围，也就是黑洞中央黑色区域的大小。不过，黑洞本身的尺寸其实比中心那块阴影区域更小！
首先，「黑洞本身的尺寸」正确来说是「事件视界」的大小。事件视界的半径即为「史瓦西半径（Schwarzschild radius）」，只要知道黑洞质量就能推算出来，像人马座 A 星的史瓦西半径是 1200 万公里。
当光行经事件视界外围，也会沿着因重力而扭曲的空间弯折，最终被吸进黑洞，成了我们看不见的那块圆形阴影，而「黑洞吃掉的影像范围」（或称为「阴影」）指的就是除了事件视界本身以外，还有多少范围是全然的黑暗。
根据广义相对论，「阴影」的半径是史瓦西半径的 2.6 倍。
包杰夫（Geoffrey Bower）是中研院天文所的资深天文学家，同时也是 EHT 计画的成员。他在记者会上表示，「这次公布的影像捕捉到被强大的黑洞重力所扭曲的光线，而亮环大小也吻合爱因斯坦的广义相对论」。
EHT 如何捕捉黑洞影像？
天文影像的解析度将整个天空分成 180 度，每度有 60 角分，每角分有 60 角秒，每角秒分成 1000 毫角秒，每毫角秒再分成 1000 微角秒。以黑洞成像而言，人马座 A 星与 M87 黑洞的阴影尺寸分别是 50 微角秒和 42 微角秒。
因此，从地球观测这两个黑洞的难度相当高，可以想像成从地球看月球上的一颗橘子，需要直径非常大，甚至等同地球直径大小的望远镜才能办到。所以，EHT 真的在宇宙中建造了和跟地球一样大的……（不要瞎掰好吗！）
EHT 使用了特长基线干涉（VLBI）这项技术。简单来说，就是透过结合两座或多座无线电望远镜的观测资料，重组出宛如单一望远镜的观测结果。望远镜彼此之间的距离越大，组合出的解析度越好！根据中研院天文所郭骏毅博士的形容，EHT 的解析度锐利到足以从台北看见东京的一粒沙！
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那为何不是先拍到距离我们比较近的人马座 A 星，而是先公布 M87 的影像呢？其实，在 2017 年时，EHT 就同时观测 M87 星系和银河系中心的超大质量黑洞。人马座 A 星虽然离地球较近，约 27,000 光年，但质量较小，难以观测。
美国斯图尔德天文台（Steward Observatory）的 EHT 科学家陈志均解释，黑洞附近的气体移动速度接近光速，加上人马座 A 星比 M87 黑洞小 2,000 倍，周围的轨道也更小，其造成的气体扰动导致影像变化速度过快，「就像在拍一只追着自己尾巴跑的小狗」，必须使用更复杂的成像技术，才能取得足够清晰的照片。
也因为这样的速度差异，这次银河系中心黑洞的照片才会跟 M87 长得不一样，形成有三个亮点的图片。不过，这些明暗差异并不是都卜勒效应造成的。师大物理系助理教授卜宏毅表示，只要拍摄物体移动过快，就会留下残影。然而，这并不影响我们解析黑洞半径。
这次并没有明确观测到喷流。科学家对於银河系中心黑洞是否存在喷流，目前仍有待商榷。
VLBI 技术支援科学家黄智威表示，这次的黑洞图像也替未来的黑洞观测打下良好的基础。目前，学界将「超大质量」定义为 100 万倍到 10 亿倍太阳质量的数量级，估计 M87 约为 35 至 66 亿太阳质量，而这次的银河系黑洞为 400 万太阳质量。
也就是说，目前观测到唯二有清晰影像的黑洞，正好就是超大质量黑洞的最小值与最大值，而这两张影像所呈现的特徵有许多相似之处，皆具有黑洞剪影及光环的特徵。如果连极端值都具有这些特徵，那麽理论上，其他大小的黑洞也都会有。
另外，黑洞也扮演着恒星形成的重要角色。只要能够深入理解银河系黑洞的结构，想必也能更加深刻地了解银河系的历史。
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天文所纪柏特（Britton Jeter）博士将拍摄人马座 A 星的过程描述为「将一部电影浓缩成为一张影像！」这整个过程费时 5 年，有赖美国、加拿大、欧洲及台湾的努力，利用世界各地的超级电脑运算庞大的观测资料，再经由多次模拟、调校，才得以成像，让我们能够亲眼看到这个「潜伏在银河系中心的巨兽」。
台湾在黑洞计画中扮演的角色
这次公布的黑洞影像，由全球各地 8 座望远镜共同完成（见表），其中有 3 座和台湾渊源深厚，分别是由中研院参与建造或负责运转的「次毫米波阵列（SMA）」、「马克斯威次毫米波望远镜（JCMT）」，以及「阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列（ALMA）」。
从 2017 年黑洞计画启动以来，中研院天文所就参与其中，合作夥伴包括国立中山大学、国立台湾师范大学、国家中山科学研究院。从观测、分析数据到成像，尤其在疫情之下，能够持续投入，并且有如此卓越的成果，实属不易。
未来展望
目前，EHT 团队正在分析 2018 与 2021 年的观测资料。除了上表 8 座天文望远镜以外，这些观测活动还有格陵兰望远镜（Greenland Telescope）与另外两个望远镜参与，想必可以让我们更清楚地看到 M87 和人马座 A 星的黑洞影像。未来，团队也期许能够透过更高频率的观测，一窥更小的黑洞。
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