我們是怎樣看見黑洞的？——探索人類拍攝黑洞「照片」的歷程

當我們仰望夜空，看到滿天繁星、偶爾一弯明月，甚至是淺淡的銀河時，很難想像在宇宙深處，竟然存在着一種我們肉眼無法直視，甚至連光也逃不出的天體——黑洞(Black Hole)。直到二十一世紀的今天，人類終於第一次「看見」了黑洞。究竟我們如何能拍攝到那被譽為全球天文界里程碑的黑洞「照片」？讓我們一同展開這段科學冒險的旅程。

我們何以知道黑洞的存在？

黑洞不是一個科學家隨意想像出來的概念。早在二十世紀初，愛因斯坦(Albert Einstein)提出了廣義相對論(General Relativity)，預測了一種極端天體：當一個巨大的恆星死後坍縮，形成一個重力極強，連光都無法逃出的天體，即為黑洞。換句話說，黑洞是時空的「大陷阱」。

問題來了：如果黑洞什麼都不放出來，包括我們倚賴來看東西的光，那我們怎樣「拍」到它？這有點像想要拍攝一間全黑房間裡最黑的角落，拿電筒也照不見，只能看四周的變化。要「看見」黑洞，我們需要更具創意的方式。

黑洞的「影子」——不能直視，只能觀察痕跡

其實，嚴格來說，我們所拍攝的不是黑洞本身，而是黑洞的「影子」(Shadow)。由於黑洞有極強的引力，周圍的物質（如恆星碎片、氣體）會被吸引進來，盤旋、加速至極高速度並急劇加熱，形成所謂吸積盤(Accretion Disk)。這些高速物質在黑洞邊緣發出明亮的射電波、X射線等各種電磁波，但一旦越過了黑洞的事件視界(Event Horizon)——即所謂「無法回頭之點」——就永遠無法出來了。

因此，黑洞「外頭」發出的光，在接近事件視界前有機會逃逸，被我們偵測到。但事件視界內部的一切都徹底消失於我們的視野。這個「邊界」會令黑洞在周圍發亮吸積盤的襯托下，看起來就像一個黑影——這就是我們「看見」的黑洞影子。

為何要用「全球大望遠鏡」來觀察黑洞？

拍攝黑洞就如同想用望遠鏡在地球遠端看清楚一塊硬幣。以2019年首張黑洞照片的拍攝目標M87星系中的超大質量黑洞為例，它距離地球5500萬光年，視覺上在我們天上的「大小」跟我們在香港看到月球表面一個細小橋牌那麼細微。普通望遠鏡根本做不到拍得這麼清楚。

我們遇上的難題叫「分辨率」(Resolution)：望遠鏡能分清多幼細細節的能力。分辨率理論上取決於「口徑」(Aperture)，即望遠鏡鏡面的直徑。若要拍出黑洞的影子，我們需要一個如地球般巨大的望遠鏡。

這裡，天文學家想出了一個天才方法：把全球多座射電望遠鏡「連線」，組成一個虛擬、全球規模的望遠鏡——事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)。

射電望遠鏡聯網：如何挑戰地球極限

EHT項目利用「甚長基線干涉測量法」(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)，把位於全球不同地方的射電望遠鏡，精確同步收發來自宇宙中同一個黑洞的微弱射電信號。這就像網絡直播一樣，每座天線都錄下自己探測到的數據，再以原子鐘同步時間。之後將龐大的數據（往往需要裝滿硬碟，甚至以飛機運送），集中至超級電腦進行整合、比對，將零散「拼圖」還原成一張完整超高分辨率的影像。

這些望遠鏡分布於美國、南極、歐洲、南美等地。從地球最大範圍「視角」捕捉同一目標，等於我們人工地造了一個地球級口徑的巨型望遠鏡。如此一來，可以分辨出前所未見的精細結構，終於為人類提供了首張黑洞影子的照片。