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用“世界上最大的望远镜”观测黑洞！

近年的黑洞观测

大家应该都还记得 2019 年的黑洞热潮，当年 4 月，人类第一张黑洞照——M87 的真面目，被公开了，我们终于取得了黑洞存在的最直接证据。3 年后的 2022 年 5 月，我们也终于看清楚那个在我们所在的星系中，在银河系最深处的黑洞——人马座 A*。这两张像是甜甜圈的照片，掀起黑洞热潮，也带给我们不少感动，想必很多人都还记得。

图/ESO、EHT Collaboration

但是，这两张模煳的甜甜圈，不管对于科学家还是我们，想必都还不满足!我们想看到的，是能跟电影星际效应中一样，带给我们强烈震撼的完整黑洞样貌。

很快就有好消息，在 M87 照片公开的三年后。2022 年 4 月，天文学家展示了另一组 M87 的照片，除了原本的黑洞以外，还能看到外围三条喷流，与围绕在黑洞旁边的吸积流，更加完整的黑洞结构同时存在在一张照片上。

图/Lu, RS., Asada, K., Krichbaum, T.P. et al. A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet. Nature 616, 686–690 （2023）. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05843-w

有趣的是，在 2022 发表的观测结果中，黑洞似乎胖了一圈，直径比 2019 年发表的结果大了 50%。这可不是说黑洞在几年间就变胖了 1.5 倍，不用担心，宇宙不会因此毁灭。这主要是选用观察的电磁波波段不一样，2019 年观察的电磁波波长是 1.3 毫米，2022 年的波长则是 3.5 毫米。但其实，1.3 毫米比 3.5 毫米的电磁波穿透力更好。也就是 2019 年的影像更接近黑洞的实际长相。

对了，2022 年的黑洞照并不是事件视界望远镜发的。你知道“事件视界望远镜”并不是唯一在进行黑洞观测的计划吗?

为了观测黑洞，全球的电波望远镜进行同步串联，打算打造一个等效直径几乎等于地球直径的超大望远镜。因为我们无法直接打造一面面积跟地球一样大的望远镜，因此我们得将分布在各地的望远镜同步串联，由数据分析来拼凑出整体样貌。你可能不知道，全球的大型黑洞观测国际合作计划其实有两个，一个就是大家比较常听到的“事件视界望远镜 ”，简称 EHT，主要以 1.3 毫米的波段进行观测，也就是大家熟悉的甜甜圈照。而另一个大计划是“全球毫米波特长基线阵列”，简称 GMVA，以 3.5 毫米为主要观测波段。2018 年 GMVA 还加入了新成员，让我们能看到最新的这张照片。其中一个是超强力助手 ALMA，另一个，就是第一座位于北极圈内，由台湾中研院主导的格陵兰望远镜 GLT。

为什么黑洞会那么难观察?

现在大家都知道，我们已经能确实拍到黑洞了。即使黑洞的本体是全黑的，围绕在黑洞周边快速旋转的物质，也会因为彼此摩擦与同步辐射，放出强烈的电磁波，被我们看到。

但即便它会发光，仍然是个难以观测的天体，直到近年，我们才补捉到它样貌。这是因为，比起亮度，更难的地方在于尺寸，黑洞好小，更准确来说，是看起来好小。M97 和人马座 A* 实际上都比太阳大上不少，但因为距离我们十分遥远，从地球上来看，人马座 A* 与 M87 黑洞的阴影尺寸，分别是 50 微角秒和 64 微角。从我们的视角来看，就跟月球上的一颗甜甜圈一样大。

但即便很困难，看到黑洞对我们来说十分重要，我们需要有确切的证据来证明我们对于黑洞的预测并没有错。例如在 2022 年有照片证明“银河系中间真的有黑洞!”之前，2020 的诺贝尔物理奖颁奖时，仍以“大质量致密天体”来称呼银河系中央的“那个东西”。现在，从黑洞喷流、吸积盘、自转轴、到光子球层，我们还有好多黑洞特性，需要更高解析度的照片来帮我们验证，验证广义相对论的预测是否正确，而我们对于黑洞与宇宙的认识是否需要调整。

好的，我们知道为了追星，嗯，是追黑洞，科学家无不卯足全力提升望远镜的解析度。但是为何格陵兰望远镜的加入，就能提升照片解析度呢?

组成世界上最大的望远镜?

越大的望远镜看得越清楚，为了将全世界的电波望远镜串联，打造等效口径几乎等于地球的超大望远镜。这些望远镜使用了特长基线干涉测量法，这些望远镜则称为电波干涉仪。

这些电波干涉仪通常由一系列的天线组成，例如位于智利的阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列 ALMA，就是由 66 座天线组成，最远的两座天线距离长达 16 公里。在观测同一个讯号时，透过比较每座望远镜收到讯号的相位差，就能计算出讯号的方位角，进一步推算出原始讯号的样貌。而当这些天线数量越多、距离越远，就等于是一座更高解析度、口径更大的望远镜。例如 ALMA 的影像解析度高达 4 毫角秒，能力比知名的哈伯太空望远镜还要好上 10 倍。另一座位于夏威夷的次毫米波阵列望远镜 SMA，则是由 8 座天线组成，虽然单座天线的直径只有 6 米，却足以以模拟出一座直径 508 米的大型望远镜。

利用相同技术，只要透过原子钟将全球的望远镜同步，就能模拟出直径几乎等于地球直径的超巨大望远镜，也就是“事件视界望远镜 ”或是“全球毫米波特长基线阵列”。

没错，格陵兰望远镜 GLT 也扮演重要角色。但为什么要把望远镜建在北极圈内?

毕竟这可不简单，为了让望远镜能在最低零下 70 度 C 的严苛环境中工作，还期望它能发挥超越过去的实力，科学家改造了不少设备，甚至还要加装除霜装置。

但这一些都是值得的，因为光是 ALMA、SMA、GLT 三座望远镜，就可以在地球上构成一个大三角型，等于一台巨大的电波干涉仪。

图/First M87 Event Horizon Telescope Results. II. Array and Instrumentation – Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/Map-of-the-EHT-Stations-active-in-2017-and-2018-are-shown-with-connecting-lines-and_fig1_333104103 [accessed 15 Jul, 2024]

而对于事件视界望远镜来说也十分重要，因为在地球的南边已经有南极望远镜了，东西向则有许多来自中低纬度的望远镜。剩下的关键位置，当然就是北极的格陵兰望远镜了。而特长基线干涉技术要在不同频段发挥作用，每个望远镜的相对位置也十分重要。格陵兰的地理位置与良好的大气环境，让格陵兰望远镜可以观测 230GHz 这个特殊波段的讯号，并且补足黑洞的诸多细节。根据官方消息，未来还要真的登高望远，更上一层楼地把整座格陵兰望远镜搬上格陵兰岛山顶的峰顶站台基地 （Summit Camp ），观测 690GHz 的特殊讯号，期待能看到黑洞的光子球层，验证广义相对论的预测。