電波望遠鏡如何穿透 27,000 光年「看見」黑洞？

黑洞觀測與電波天文學發展密切相關，為什麼觀察黑洞要透過電波望遠鏡而非光學望遠鏡？前者又如何「看見」實際上看不見的宇宙黑洞？

雖然宇宙星際塵埃密度實際上非常低，但從地球看往銀河系中心的路徑長達 27,000 光年，當一片又一片塵埃累積遮擋，遠方可見光便被路上這些塵埃吸收了，因此我們無法利用光學望遠鏡看到銀河中心。在許多拍攝銀河中心的光學望遠鏡影像中都可以看到一條長長的「銀河」，那些便是宇宙塵埃，而超大質量黑洞就躲在這片塵埃遙遠的後方。

因此，科學家需選擇不受塵埃影響的波長才能接收來自遙遠星系的訊號，無線電波和可見光主要差別就在於波長，可見光波長約 0.5 微米，而事件視界電波望遠鏡（EHT）觀測波長為 1 毫米，兩者相差 2,000 倍，因後者波長比灰塵大得多，因此可以穿透塵埃。

同時波長又和望遠鏡的「視力」（角解析度）有關，波長愈小、角解析度越好，所以波長又不能太大，否則會導致最終影像解析度不足。在技術與建置成本考量下，EHT 選擇了最適合觀測的次毫米波波長（0.5～1 毫米）。

此外，望遠鏡口徑也是影響角解析度的條件之一，口徑越大、角解析度越好，而事件視界望遠鏡便利用特長基線干涉（Very-long-baseline interferometry，VLBI）技術串聯世界各地 8 座電波望遠鏡，形成一座口徑超巨大的「虛擬洲際望遠鏡」對準星系中心拍攝。

順帶一提，這也是為何一些科學家提出在月球上放置電波望遠鏡，讓我們有機會以類似技術製造出超越地球大小的虛擬望遠鏡。

EHT 團隊表示，此次公布的銀河系中心黑洞影像與 M87 黑洞一樣都來自 2017 年的觀測，然而銀河系超大質量黑洞人馬座 A* 因距離較近、軌道運轉速度更快，導致黑洞幾分鐘就發生變化，數據像螞蟻一樣「到處亂竄」，因此研究團隊需排除更多干擾和錯誤訊號才能聚焦，直到 2022 年才正式公開影像。

至於拍到銀河系中心黑洞有什麼用處？我們將可驗證廣義相對論，同時檢視 2020 年諾貝爾物理獎獲獎者 Andrea Ghez、Reinhard Genzel 對銀河系中心黑洞的推論是否正確，還能比較 M87 星系中心黑洞與銀河系中心黑洞的差異。

根據廣義相對論預測，黑洞事件視界外的強大重力足以彎曲光子運動軌跡，並在幾乎呈圓形的黑暗球狀陰影外出現一圈明亮光環，麻省理工學院解釋，被吸進黑洞不歸路之外的光線仍存在，它的圖案就像照片底片一樣可揭示黑洞潛伏。

這張最新影像也證實了廣義相對論另一個預測：所有黑洞都是相似的，無論大小。儘管 M87 星系與銀河系中心的黑洞質量、尺寸截然不同，但兩者看起來非常相似，都具有黑洞剪影及光環特徵。

▲ 黑洞周圍物質流動動態圖。（Source：NASA）

科學家希望未來能獲得更清晰黑洞暗影圖像。現在我們只能看到最亮特徵，但這片亮光下其實還有更微弱的子結構，之前科學家便曾拆解這些甜甜圈光環，實際上由無數薄光子環組成；NASA 也曾為此製作黑洞外觀高解析動態圖。

新論文發表在《天文物理期刊通訊》（The Astrophysical Journal）。