採訪撰文：簡克志
美術設計：蔡宛潔
用有限資源完成不可能任務
2022年5月12日是專訪曾樸中心重黑個大日子，這天人類終於獲得了第二顆黑洞的天文觀測影像！這顆黑洞稱為人馬座A星（Sagittarius A*,所賀生活Sgr A*），它就位於我們銀河系家園的院士中心。為了成功拍到Sgr A* ，麼拍麼關天文學家必須克服重重困難，到銀洞和包含黑洞周圍的河系黑洞環繞物質變動太快，或是人類宇宙塵埃與星雲的雜訊干擾等。
不過，專訪曾樸中心重黑黑洞和我們日常生活有關嗎？為什麼看見黑洞這麼重要？科學家又是天文如何找到這顆黑洞呢？中央研究院「研之有物」專訪院內天文及天文物理研究所通信研究員賀曾樸院士，請他解答我們對於黑洞的所賀生活各種好奇。
Photo Credit: 研之有物 深空仰望銀河系中心
天文學家很早就開始有系統地觀察銀河系中心的電波訊號。在1933年Karl Jansky透過他架設的天線裝置，首次記錄到位於人馬座的銀河系中心有20 MHz的未知電波發射源。因此，後續的電波天文學研究，對於銀河系中心一直很感興趣，並且把這個電波源稱為人馬座A星（Sagittarius A*,Sgr A*）。
賀院士在訪談中提到，中研院天文所的前籌備處主任（所長）魯國鏞院士，在1985年讀博士時，對銀河系中心電波源做了最早的干涉儀測量，當時魯院士推測這個來源可能是個大質量黑洞。
接著1992年開始，兩位天文學家Andrea Ghez和Reinhard Genzel，利用先進干涉儀器觀測銀河系中心周圍的恆星運動長達20多年，他們發現這些恆星的橢圓軌道似乎都圍繞著一個共同的焦點（如下圖）。
試問宇宙中有「誰」重力這麼大、空間範圍卻又這麼小呢？超大質量黑洞是最合理的解釋。這也讓Ghez和Genzel獲得2020年諾貝爾物理獎的榮耀，原因是「發現銀河系中心是一個超大質量的緻密天體」；另一位得獎主是Roger Penrose，原因是「證明廣義相對論能夠可靠地預測黑洞的形成」。
資料來源：UCLA Galactic Center Group 至此，科學家已經得知銀河系中心黑洞可能存在，接下來就需要找到黑洞存在的直接證據：看見黑洞。
事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）聯盟於2017年創立，串連全世界研究人員一同構建出足以觀測黑洞的電波望遠鏡陣列，同年（2017）完成兩個超大質量黑洞的初步觀測——銀河系中心黑洞Sgr A*與M87星系中心黑洞，當時有八座電波望遠鏡一同貢獻解析力，中研院就參與了三座望遠鏡（SMA、JCMT、ALMA）的研發、建造與運作。
2019年4月10日，人類獲得了史上第一張黑洞的照片！首次看見M87星系中心的超大質量黑洞，有明確的中心陰影和周圍明亮的環狀結構。
2022年5月12日，我們終於揭開銀河系中心黑洞的秘密，獲得人馬座A星的直接影像證據，這是離我們最近的黑洞，也是目前唯二能夠觀測到的黑洞！
資料來源：EHT 銀河系家園的「小」巨獸：人馬座A星
人馬座A星（Sgr A*）就像一隻「小」巨獸，說它巨，是因為Sgr A*的陰影直徑為太陽的43倍，質量高達太陽的 400萬倍，這是住在地球的我們難以想像的。不過和M87黑洞一比，Sgr A*又顯得很「小」，因為M87黑洞陰影直徑為Sgr A*的2000倍，質量是Sgr A*的2000 倍！（如下圖）。
資料來源：中研院天文所 奇妙的是，如果從地球上觀測人馬座A星和M87黑洞，兩個黑洞看起來會差不多大！WHY？這是因為人馬座A星距離地球的距離，又比M87黑洞近了約2000 倍。從地球上看這兩個黑洞，剛好在天空形成一樣大的張角（註1）。
從圖片可以看到，人馬座A星和M87黑洞的結構很類似，周圍都有發光的環狀結構（吸積盤）、中心陰影也都很明顯。不過，要如何在地球上看見黑洞呢？
首先，不能用光學望遠鏡，必須使用電波望遠鏡看黑洞。電波和可見光的主要差別是波長，可見光的波長平均 0.5 微米左右，EHT的電波望遠鏡觀測波長則約1毫米，兩者大約相差2000倍。
賀院士強調，為了接收到遙遠星系的訊號，必須選擇不受塵埃影響的波長，電波的波長比灰塵要大得多，因此可以穿透塵埃，收到來自銀河系中心的訊號。反之，可見光很容易就會被塵埃擋住。
資料來源：EHT、中研院天文所 不過，就算是銀河系中心，還是離我們很遠，要如何看得清楚？
賀院士說，波長和電波望遠鏡的「視力」（角解析度）有關，波長愈小、角解析度越好。因此波長也不能太大，否則會導致最終影像解析度不足，並影響天線精確度。
在技術和建置成本考量下，EHT選擇次毫米波波長（0.5 毫米～1 毫米），1 毫米是目前最適合的觀測波長，可輸出黑洞影像解析度3*3像素。
咦？圖片解析度只有3*3像素？其實電波望遠鏡的「視力」（角解析度）已經非常高。這次觀測到人馬座A星的陰影直徑張角約50微角秒，是天空張角一度的一億分之一，相當於從地球看月球上一塊甜甜圈的大小。未來，EHT觀測波長將使用0.5毫米（660 GHz）來獲得更高解析度，預計可達15*15像素。
Photo Credit: 研之有物 除了波長之外，電波望遠鏡口徑也是影響角解析度的因子，口徑越大、角解析度越好。但是我們不可能做出和地球一樣大的望遠鏡，為了讓地表有限的電波望遠鏡模擬出巨大望遠鏡的效果，必須使用特長基線干涉（Very-long-baseline interferometry, VLBI）技術，讓不可能化為可能。