「愛因斯坦說『上帝不擲骰』，但他錯了。黑洞的研究顯示，上帝不但擲骰，有時還會在看不見的地方擲骰，藉此混淆我們。」－史蒂芬·霍金
霍金為這個世紀最偉大的黑洞研究者，這是客觀且無法反駁的。然而，如此偉大的他，在有生之年卻未見證這世紀最驚為天人的突破。在西元2019年4月10日，世界首張黑洞照片問世，黑洞就再也不是那「看不見的地方」；也可惜了，霍金無法在人世見證歷史性的一刻。
圖一、2019年於事件視界望遠鏡（ＥＨＴ）拍攝之黑洞圖像
圖片來源：Event
Horizon Telescope
這個重大的成就，直接摘下當年的諾貝爾物理獎（有趣的是，兩年前的物理獎，也和黑洞研究與觀測有關）；它立即登上各界新聞論壇，席捲如推特、臉書的社群媒體，並成為當週討論熱度最高的新聞。究竟是哪方面的突破，能讓全世界如此為之瘋狂？
「這個實驗的成功，給予了黑洞存在的直接證據。」台大物理系教授賀培銘表示。「在這之前，我們只能透過周遭恆星的移動軌跡，抑或是重力波觀測以猜測黑洞的所在。這個望遠鏡遍布了全球，結合了世界各地的學者的觀測紀錄，照片成功合成出來時，我認為是對於天體觀測技術發展很大的肯定。」
黑洞觀測的黑歷史
如同賀培銘教授所說的，這個觀測紀錄得以證實黑洞的存在。然而，即便無從證實，早在18世紀，牛頓力學其實早已預測了黑洞的存在（雖然那時候還沒有黑洞這個詞）。根據牛頓力學，我們需要一定的速度才足以離開地球重力的束縛，而如果重力很大，速度就需要非常大，如果這個速度大到超過光速，代表連光都無法逃離重力的掌握，這就是我們所認知的黑洞。後來一直到1916年，才有一位科學家史瓦西（Karl Schwarzschild）利用相對論找到黑洞解釋方式。他算出的黑洞半徑稱為「史瓦西半徑」，而這個半徑跟牛頓力學算出來的結果是相同的。然而，即使史瓦西理論上找到了黑洞，卻並沒有被公認，因為他的黑洞實在太奇怪了。所有物質掉入同一個點、時間被拉長到無限大，更有一個無法回頭的界線「事件視界」，分隔了我們看得到以及看不到的區域，只要進去就再也無法傳遞任何資訊出來，感覺就是現實生活中不可見之物。
黑洞研究就在這種備受質疑的情況下搖搖欲墜地前進，即使1930年代對恆星的研究推測質量夠大的恆星死亡後就有可能塌縮成黑洞，但由於黑洞的存在實在過於違反直覺，這個概念仍然不被接受。直到1960年代，受益於數學方法的改進以及一些觀測上的證據，科學家找到另一種解釋方式：旋轉黑洞，又稱為克爾解。這個突破一舉革新了天文界。從此以後，黑洞不再只是理論上可行，更是極有可能出現在真實宇宙中的天體，而對於黑洞的研究，從理論探討轉為實際觀測。「黑洞」（Black
Hole）這個名稱也是在這段時期才萌芽的。
近期以來，2017諾貝爾物理獎，為「重力波的探測」。他們推測自己所探測到的，是兩個黑洞在相撞。然而，即便所有理論與計算皆指向黑洞相撞這個結果，經過超過40年的觀測，科學家仍然無從證實黑洞的存在，更別說兩個黑洞。孰知，在探測到重力波當年，事件視界望遠鏡就已經悄悄地將照片拍出並開始合成。
宇宙的無底洞，難以觀測
當然，觀測黑洞時，看到的並非黑洞本身，而是周遭的亮光，稱為「事件視界（Event
Horizon）」，也正是1916年史瓦西所推測之無法回頭的界線。在事件視界內，彷如一個巨大的無底洞，自身不反射和發射電磁波，任何儀器都不能檢測到它；所以黑洞並不是黑色的，而是無法看見。即便如此，黑洞之所以難以觀測，事實上別有原因。
「黑洞之所以如此難看到，在於它的距離；黑洞密度很大，大到一個跟太陽一樣重的黑洞可能直徑只有幾公里罷了，想在夜空中看見黑洞，就如同想看見月球上的一顆橘子一樣。這樣的大小，又在距離如此遙遠的地方，想在夜空中看見黑洞，就如同想看見月球上的一顆橘子一樣。會很難看到，似乎也是理所當然。」賀教授說。「望遠鏡之所以需要遍布整個地球，正是因為解析度的問題。直徑不夠大的望遠鏡，根本無法拍出一個清楚可辨認的照片。」
容我來解釋一下。望遠鏡可以透過「陣列」的方式，提升自己的直徑（舉例來說，三個望遠鏡相距50公尺排成一列，將三者照片合成後，照片可等同於一個直徑100公尺的巨大望遠鏡所拍攝出來的照片）。事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，簡稱EHT），即是遍布全球直徑的巨型望遠鏡陣列，而非單一的望遠鏡，直徑可等同於地球直徑，非常可觀。然而，為什麼需要如此巨大的口徑呢？答案是「解析度」。
圖二、事件視界望遠鏡的陣列分布
圖片來源：National
Geographic
望遠鏡的解析度，與我們手機中的相機有些許雷同。解析度高，則放大依舊能看見清楚的圖像。其中，望遠鏡的解析度，與直徑成正比：也就是直徑越大，解析度越高。想拍到像「月球上的橘子」般大小的物體，需要放大好幾倍；解析度太低，放大就能只能看見獨立的像素，根本無法辨認照片中的主體。這張黑洞照片，解析度高到佔據了5PB的容量：大概是500萬GB ，抑或是5000年MP3檔案的大小，可見其拍攝之困難。這也造成了檔案在互相傳輸時的趣象：如此龐大的檔案，無法用網路傳送，因此不同望遠鏡據點之間，他們被迫使用飛機和實體硬碟互相交流。這個合成過程，一做就是兩年，還不包含觀測時間！
看見了，然後呢？
首先，這個照片最顯而易見的好處，在於資金的蒐集與人才的招募。
「這張照片，與重力波一起將黑洞推向物理研究的前鋒。做黑洞相關研究，突然變得很流行（Trendy），有更多人願意贊助，而像我一直以來做黑洞研究的物理學家，更是有感受到近幾年以來的向上趨勢。這對於未來的好處絕對是很多的；其中很重要，甚至能說是最重要的，是激起下一代的物理學家。」賀培銘教授是如此說道。
的確，此類廣泛的科普宣傳可以激發更多人對太空和黑洞的探索熱情，孰知未來觀看黑洞照片的青少年中有沒有未來的愛因斯坦和霍金。
其二，照片確實是一個關鍵性的指標，但是事件視界望遠鏡的觀測結果，更是帶來海量的資料，不僅是如同表面上地證實黑洞存在，更是能協助科學家確認關於事件視界的數據，驗證這幾年來計算的結果，對於更進一步地了解宇宙最深處的奧秘，最黑暗的存在，無疑是一大推手。
參考資料
[1] 拍攝十天，沖洗兩年的黑洞照片意義何在？https://kknews.cc/science/pp64v4j.html
[2] Event Horizon
Telescope https://eventhorizontelescope.org
[3] National Geographic https://www.nationalgeographic.com
[4] 泛科學 https://pansci.asia/archives/tag/%E9%BB%91%E6%B4%9E
特別感謝國立台灣大學物理學系賀培銘教授的協助。
