不发光的黑洞为什么可以看得到？
▲透过EHT拍到史上首张「黑洞」照片。（图／中央研究院提供）
黑洞带给人类永恒的神秘感，它是时空的尽头、连光也摆脱不了的「洞」。即使是理论物理学家，也难以用笔墨形容黑洞的模样。要派太空人到黑洞附近去看看也不太可能，尽管航行者1号、2号花了近40年，才刚在不久前越过太阳系边界，但黑洞都在太阳系以外非常遥远的地方。
2017年，来自世界各地超过60个科研单位的天文学家联结起位于地球各大洲的众多个无线电望远镜，持续地观察M87星系。这个名为事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，简称EHT）的无线电望远镜网络，终于直接拍摄到了人类史上首张黑洞「照片」，并于2019年4月10日全球同步发表。
▲M87星系。（图／ESO）
黑洞是什么？
黑洞是爱因斯坦于1915年发表的广义相对论的方程式的一个数学解。爱因斯坦发现，在我们身处的宇宙中的任意点上，加速度与重力并不能被区分开来，是为「等效原理」。利用等效原理，加上光速不变假设，爱因斯坦推导出一组十式的方程组。广义相对论取代了牛顿重力定律（或者可说是牛顿重力定律的更新版本），只要知道时空某处存在多少质量，就能够利用那十条方程式描述时空的演化。
重力的特性是它只会互相吸引，不像电磁力那样既能相吸亦能相斥。因此，质量越多，重力就越强；重力越强，就更轻易吸引更多物质。物质如果要摆脱更强的重力，就得付出更多能量。例如，在一颗小行星上，轻轻一跳可能就已足够摆脱其重力；在地球上，却必须利用火箭加速至最少每秒11.2公里，才能飞进宇宙空间。
早在爱因斯坦以前，物理学家就曾经想像过一颗质量非常高的恒星，其重力强大到必须跑得比光更快才能逃逸。牛顿重力理论中没有质量的东西不会被重力影响，而光线究竟有没有质量在当年也是未解之谜，他们想像「如果」光线也会被重力「拉」回恒星表面的情况，就把这种想像中的恒星称为「暗星」。
▲画家想像下的黑洞。（图／ ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann）
广义相对论中的重力却能影响一切事物。所有物质，哪管有没有质量，全都会被重力吸引。天体物理学家发现，当一颗质量巨大的恒星耗尽核反应燃料时，抵抗自身重力的压力就会在一瞬间消失，恒星会向内坍缩、反弹，引发超新星爆发。超新星爆发后剩下来的核心质量如果足够高，就会变成一个逃逸速度比光速更高的区域。我们叫它做黑洞。
黑洞不会发光，而且大多数黑洞体积又不大、离地球又远（幸好）。因此，望远镜必须造得够大，才能收集更多光线和提高解析度。以人类的科技，要探测上述由恒星死亡超新星爆炸所创造出来的细小黑洞（尺寸大多比地球上的城市更小），仍然遥不可及。不过，宇宙间有些黑洞尺寸却巨大得难以置信。天文学家发现，在每个星系的中心，都存在一个极其巨型的黑洞，质量达到几百万个太阳，称为超大质量黑洞。天文学家认为这些星系中心的黑洞由远古细小黑洞互相结合而成的，它们同时也影响着星系的演化过程。
星系M87（Messier 87）的中心也有一个超大质量黑洞。它距离太阳系约5千5百万光年，半径约为37光时。M87的质量是太阳的65亿倍，从地球上观察，它的事件视界（event horizon）只有大约16微角秒。从地球看，这等于月球上太空人的拳头大小。事实上，今次EHT的天文学家拍摄的并非M87的事件视界，而是在事件视界外面约40微角秒大小的吸积盘（accretion disk），叫做「黑洞的影子（black hole shadow）」，实际尺寸大概为冥王星轨道的2.7倍。
▲事件视界望远镜网络。（图／EHT； from Jean-Pierre Luminet, La Recherche, Vol. 533 （March 2018））
事件视界望远镜（EHT）是什么？
根据简单光学定律，望远镜越巨大、观测使用的波长越短，解析度也越高。人类所造的地面望远镜之中，无线电望远镜建造相对容易，因此普遍来说都较可见光望远镜巨大。另一方面，无线电受大气扰动干扰的影响亦较可见光为低。EHT使用的无线电波段为1.3毫米，经过计算，我们需要的望远镜尺寸是⋯⋯地球直径（即大概13,000公里）！
然而，即使是地球上最巨型的无线电望远镜，例如美国的阿雷西博望远镜（Arecibo Telescope，直径305米）、中国的500米口径球面无线电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST，直径500米），以及俄罗斯的科学院无线电望远镜-600（Academy of Science Radio Telescope – 600，简称RATAN-600，直径600米）等等，也远远不够大。怎么办呢？总不能把整个地球改建成一支望远镜吧？幸好，物理学家早就发展出一种技术，叫做甚长基线干涉测量法（Very-long-baseline Interferometry，简称VLBI）。VLBI技术利用光线的波动特性，把不同地点的光线讯号互相重叠，从而构成更光亮、解析度更高的影像。
世界各地都有很多无线电望远镜，因此天文学家组成了一个VLBI望远镜网络，用来加强所拍摄的影像的光度和解析度。EHT就是这个VLBI网络的一部分，专门拍摄M87。过去两年间，EHT收集到了足够的光线，利用干涉分析建构出一幅解析度达20微角秒、足以分辨出M87的黑洞影子的照片。2019年4月10号，我们终于能够一窥黑洞的庐山真面目！
▲EHT首张M87的无线电黑洞影子照片。（图／EHT）
不发光的黑洞为什么可以看得到？
咦，不是说过连光也不能离开黑洞吗？为什么还会有来自黑洞的讯号？
黑洞本身不会发光（理论上黑洞会放出所谓的霍金辐射（Hawking radiation），但这超出本文讨论范畴，我在以往文章中已经讨论过）。然而，正被黑洞吸入的星际物质、甚至是被黑洞强大重力扯得支离破碎的恒星碎片，会一边加速至极高速度、一边落入黑洞之中。这些物质构成一个温度极高的吸积盘，会在落入黑洞之前释放出大量辐射。EHT观察的就是这些刚好在黑洞边界发射出来的光。
顺带一提，黑洞边界是时空中的资讯能够传播的最后界线，跨越了黑洞这道边境的任何资讯都不可能被黑洞外面的宇宙所探知。因此，黑洞边界又称为事件视界，象征宇宙中一切事件的尽头。EHT的名称也就很明显了：事实上它拍摄的并非黑洞「本身」，而是事件视界外的黑洞影子。
爱因斯坦的预言
既然这是人类史上首张黑洞照片，为什么我们会知道M87中心有个黑洞？
我们观察到来自M87的X射线高能量喷流（jet）。天体物理学模型指出，当吸积盘的物质落入黑洞时，会有一部分物质被高速从黑洞两极抛走，形成喷流。喷流中的物质温度极高，加上其速度非常接近光速，因而放出X射线。这些来自M87的X射线能量间接指出其中心必定存在一个能提供物质如此强大能量的能源。根据人类已知物理学，黑洞是唯一解释。
科学与其他学问的一个分别是，我们能够利用科学定律来作出极其准确的量化（quantitative）预言。爱因斯坦广义相对论的预言已经被实验和观测所一一证实，包括位于较强重力场中的时间流逝速率相对较慢（全球定位系统人造卫星必须使用广义相对论作岀修正，所以我们的手提电话已是明证）、空间会被重力场扭曲（人造卫星已经测得地球附近空间扭曲程度与相对论预言一致）、2015年直接探测到去两个黑洞碰撞结合所释放出的重力波（重力波观测亦为黑洞存在的证据）。
EHT这张照片只是人类直接观察黑洞的第一步。虽然这照片与想像中的电影剧照有颇大出入，却是爱因斯坦相对论的另一个明证。谁知道未来人类科技会进步到何等程度，带我们看到什么？
▲电影《星际启示录（Interstellar）》显示的黑洞。由该电影科学顾问、2017年诺贝尔物理学奖得主、理论天体物理学家基普・索恩（Kip S. Throne）利用广义相对论方程组画出。（图／翻摄自余海峰部落格）
本文作者感谢江国兴教授的建议。
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