人類史上第一張「黑洞照片」背後的台灣故事

採訪編輯：歐柏昇
美術編輯：林洵安

為什麼建造格陵蘭望遠鏡？

中研院天文及天文物理研究所主導的「格陵蘭望遠鏡」（GLT），在2017年底開光，並在2018年成功與夏威夷的次毫米波陣列（SMA）、智利的阿塔卡瑪毫米波與次毫米波陣列（ALMA）連線觀測。利用特長基線干涉技術，三組大型望遠鏡形成接近地球那麼大的大三角形，相當於一個超大望遠鏡，有望拍攝到人類史上第一張黑洞的照片。（按：最新進度，人類已經成功拍得黑洞照片）

圖片來源│格陵蘭望遠鏡網站

天文學家的極地生活

在格陵蘭的生活是怎麼樣呢？格陵蘭望遠鏡計畫執行負責人、中研院研究員陳明堂說，冬天很麻煩，要穿厚重的衣服，一回到住處就不會想再出門了。格陵蘭的夏天是永晝、冬天是永夜，永夜的時候「會覺得怎麼睡都睡不飽」。

一般人想不到的是，格陵蘭的夏天有個很擾人的東西，那就是極地的大蚊子。穿著牛仔褲都會被蚊子叮咬，夏天工作必須戴網狀的帽子防蚊。使用台灣帶去的電蚊拍，聞起來還會有BBQ的味道。

格陵蘭望遠鏡所在的圖勒空軍基地，設備還不錯，有福利社、餐廳、交誼中心、健身房。不過生活單調，每天閒暇就是與當地軍人、科學家串門子；因紐特人並不住在圖勒基地附近，平時不會遇見。

資料來源│「穹頂天眼—從格陵蘭看黑洞」紀錄片

人類即將看見黑洞

「黑洞影像，我覺得遲早會被拍到，事件視界遲早會被證實。」陳明堂說，格陵蘭望遠鏡的主要觀測目標，是M87星系中央的超大質量黑洞。黑洞本身是「黑」的，事實上看不到，但是我們可以看到它的陰影。陰影的亮光，來自於黑洞周圍的吸積盤。

資料來源│Hotaka Shiokawa

從地球看過去，黑洞實在太小，解析度必須達到幾十個「微角秒」，所有光學望遠鏡都無法達到，只能仰賴特長基線干涉儀。

以現在的技術而言，有機會看到的黑洞只有兩個：銀河系中央和M87。銀河系中央黑洞位在南方，而格陵蘭望遠鏡是在北方，觀測目標自然就是M87了。

陳明堂解釋，M87黑洞與銀河系中央黑洞，特質其實不太一樣。銀河系中央黑洞離我們比較近，較容易看到，但是M87黑洞其實是銀河系黑洞的1000倍重。

資料來源│中研院天文所 VLBI / GLT 團隊

為什麼科學家想看見黑洞？

晚上一個人在荒野，你會想要點火、拿手電筒去照，看有什麼東西。好奇和不安全感，有時候是一體兩面。

陳明堂說明，看星星固然浪漫，但是科學家更關心的是「地球和太陽系的關係」、「地球是怎麼來的」這些問題。求知的過程中，得到了答案，會讓人感到安心。好比說我們知道月球、火星不會突然爆炸，而令人安心。最終，是想了解人和自然界的關係。

「黑洞、外星人、人類起源跟未來，都是大科學。」陳明堂說，看見黑洞是驗證人類的理性推理。空間裡面為什麼可以出現一個大洞，是不是有異度空間，很難理解。知道黑洞存在，可證明我們用的方法是對的，可用同樣的理論探究其他事情。

人類要真正能利用黑洞，技術上還很遙遠。陳明堂表示，未來如果人類開始製造宇宙船艦，太陽能恐怕不夠，需要更巨大的能源，恐怕就要利用黑洞。黑洞是很有效率的發電機，假如有個小黑洞繞著地球走，只要丟一兩顆石頭進去，就可以產生大量的能源，不必再燒石油、用太陽能。

先不管這些科幻的想法是否能實現，一群勇於挑戰的天文學家，已經腳踏實地，踏入了酷寒的格陵蘭，建置望遠鏡探究神祕的黑洞。

把望遠鏡搬去格陵蘭？太瘋狂了！

故事要回到大約10年前（2009年），美國國科會將不再使用的ALMA原型機釋出，公開徵求科學家的提案。中研院和哈佛合作「觀測黑洞」的提案獲得接受，順利取得了這台望遠鏡。

陳明堂說明，想要用望遠鏡看到黑洞，需要極佳的解析度，因此技術門檻很高。第一，必須要有將近地球那麼大的望遠鏡。第二，望遠鏡接收的頻率，必須是頻率很高的電波。而高頻率的毫米波、次毫米波天文儀器，直到過去十幾年，技術才成熟。

問題來了，由於望遠鏡要接收的電波頻率很高，必須擺在非常乾燥的高山上。就像我們觀星要去合歡山、大雪山，因為山上大氣透明度比較好，才能看得到流星雨。

天文科學的設備，很講求大氣透明度。

新的望遠鏡地點，必須距離夏威夷和智利原有的兩組望遠鏡夠遠，且在乾燥的高山，又要考慮交通、基礎設施，於是地點的選擇相當困難。陳明堂說，他們曾經考慮過紐西蘭，但是紐西蘭沒有符合條件的高山；他們曾經考慮過阿拉斯加，然而阿拉斯加沒有可用的基礎設施。

終於，找到一個瘋狂的地點──格陵蘭。陳明堂說，他們原來根本不知道格陵蘭島上有什麼，同事去Google一查，才發現格陵蘭有個大氣觀測站，且是美國國家科學基金會在運作。他們試著向對方聯繫，結果順利談成合作。現在全球重要的毫米波、次毫米波天文望遠鏡，地點分佈如下圖所示：

資料來源│格陵蘭望遠鏡網站

陳明堂說，最初打算去格陵蘭，10個人有9個回應：「你們太瘋狂了！為什麼要花這種錢？又不會成功。」他說，「一開始，我們完全不知道格陵蘭長什麼樣子，不知道冷的時候是怎麼樣。一群在熱帶長大的人，到那麼寒冷的地方，衣服都不知道怎麼穿了。但是同樣的，之前SMA望遠鏡要搬去夏威夷的時候，我們也不知道那裡是什麼樣子。」

格陵蘭、夏威夷，這些位置給我們不安全感，但同時也有冒險患難的精神。

前進格陵蘭：拆解、修改、組裝

2011年，格陵蘭望遠鏡的瘋狂計畫，終於展開了。研究團隊來到格陵蘭的峰頂站台基地（Summit Camp），先擺放大氣透明度的測量儀器，驗證當地是很好的天文觀測地點。

資料來源│「穹頂天眼—從格陵蘭看黑洞」紀錄片

接著在2012年，中研院團隊來到新墨西哥州的小鎮。那裡是個印地安人居住的沙漠地區，擁有知名的甚大望遠鏡（VLA），也就是電影《接觸未來》的場景。由於ALMA的原型機擺在那裡，中研院派一群人待了3個月，來拆卸原型機。人員每天從住處開車到天文台，單程就長達70公里。這是格陵蘭望遠鏡建造的第一步，就已拆得轟轟烈烈。

ALMA原型機拆卸完成後，運送到維吉尼亞州的軍港。中研院的團隊在這裡待了半年，試組裝望遠鏡。因為格陵蘭的物資、人力都有很大的限制，甚至如果少了一顆特殊的螺絲，可能要等好幾個禮拜才能取得。於是，在零件運往格陵蘭之前，得在美國本土先試組裝大型物件，確定沒有差錯。

2016年夏天，望遠鏡搭乘一年只開一次的船班，運送到了格陵蘭的圖勒空軍基地。來到格陵蘭冰天雪地的現場，發現不少未曾被注意過的問題。例如，一般望遠鏡放置的山上，不會常年結冰，望遠鏡天線即使部分結冰，仍然會融掉。

但是格陵蘭情況不同，望遠鏡只要結冰就很麻煩了，必須加裝除冰系統。

陳明堂解釋，除冰系統的原理，是不讓外來水分黏著到天線的碟面上。並不需要將碟面溫度維持在零度以上，只要讓它比周圍環境高一度左右，這樣水分就不會附著而結冰。

另外，原來的望遠鏡結構是開放式的，許多儀器放在室外。然而在格陵蘭，儀器不能隨意放在室外。研究團隊花了一些功夫，才找到合適的夥伴──包含中科院的航空研究所、中鋼，重新設計望遠鏡基座，改裝支撐架構，並增建兩個機房。

資料來源│格陵蘭望遠鏡網站

捕捉極地的天光

2017年底，格陵蘭望遠鏡終於開光。2018年1月，格陵蘭望遠鏡參加了全世界的特長基線觀測預演。出乎眾人的意料，格陵蘭望遠鏡竟然與智利的ALMA連上線了！

一般望遠鏡組裝完成後，需要花費大量功夫調校，很難立刻成功觀測，更不用說是仰賴高技術的特長基線觀測。原先大家根本不相信，才剛組裝好的格陵蘭望遠鏡能夠立刻與SMA、ALMA連線，進行特長基線的觀測。接著，在2018年4月份，格陵蘭望遠鏡參加正式的觀測，取得數據，並且一步步調適各種參數。

攝影│張語辰

陳明堂解釋，特長基線的觀測是很複雜的過程。拿到資料以後，要先把所有台站的磁碟，送到相關處理器中心（具有專門用途的超級電腦），接著要做校正、成像。而後須確認影像是真是假，是否有鬼影子在裡面，才可能開始談科學。特別是要看黑洞陰影，這是前所未見的影像，大家會更加小心，反覆檢查哪邊可能出錯。

資料來源│ALMA（ESO/NAOJ/NRAO）, J.Pinto & N.Lira.，圖說重製│林洵安

格陵蘭望遠鏡的下一步計畫，是將望遠鏡從圖勒搬到峰頂站台基地。圖勒接近海平面，由於大氣透明度的限制，只能做某些頻段的觀測，無法達到很好的解析度。

雖然在圖勒應可看到黑洞陰影，但是如果要取得品質夠好的影像，仍需移到非常適合次毫米波段觀測的峰頂。不過，研究團隊尚在尋找經費、人力，希望最快能在2021年到達峰頂，讓台灣登上觀測黑洞的更高位置。

本文經研之有物授權刊登，原文刊載於此

責任編輯：朱家儀
核稿編輯：翁世航