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劃時代成果!中研院天文所參與「事件視界望遠鏡」觀測M87星系中心超大黑洞
劃時代成果!中研院天文所參與「事件視界望遠鏡」觀測M87星系中心超大黑洞
(參考EHT官網新聞稿 https://eventhorizontelescope.org/ 及中研院記者會相關資料檔案)
事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope ，以下簡稱EHT）是為獲取黑洞影像而量身設計，由國際合作興建，把地球上多座電波望遠鏡組成了一個和地球一樣大的陣列望遠鏡。2019年4月10日，在一場全球同步記者會中，EHT研究團隊首度亮相了超大質量黑洞及其陰影訴諸視覺的直接證據。
臺灣團隊以中研院天文所為首，不僅在EHT計畫積極參與科學探索，在儀器設備建造研發方面也有重要的貢獻，還是東亞天文台的合作夥伴，等同在EHT計畫13個董事成員中，佔有兩個席次。EHT陣列望遠鏡中有4個望遠鏡的建設或運轉有臺灣中研院參與在其中，分別是：2018年佈建完成的格陵蘭望遠鏡，次毫米波陣列望遠鏡，阿卡塔瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡，東亞天文台的詹姆斯．克拉克．麥克斯威爾望遠鏡。
這項天文物理學界重大突破，由天文物理期刊通訊以6篇論文特刊向學界分享。所揭露的主角影像，是位在M87星系中心的黑洞 [1]。M87星系是巨大星系，屬於室女星系團，與銀河系相鄰不遠。M87星系黑洞與地球相距5,500萬光年，質量為太陽質量65億倍 [2]。
EHT將全球各望遠鏡相連，形成一座如地球大小的虛擬望遠鏡，具有前所未見的靈敏度和解析力 [3]。這項國際合作多年取得的成果，為科學家提供一種新方式去研究愛因斯坦廣義相對論所預測的「宇宙中最極端物體」。今年恰逢歷史上人類首度以實驗證明廣義相對論的百週年，這項突破格外有意義[4]。
EHT計畫主持人，哈佛－史密松天文物理中心 Sheperd S. Doeleman 說：「我們已經拍到首張黑洞影像，這項非凡的科學成就，由200多位科學家共同實現。」
DSC_0466.mp4黑洞是宇宙中非常特異的物體，在極緻密的尺度中卻含有極大質量。這種物體的存在，會以極端方式影響其周圍環境，彎曲時空並極度加熱周圍任何物質。
「黑洞如果沉浸在一個明亮區域裡面，譬如在一團發光的氣體中，我們預期黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域，這是愛因斯坦廣義相對論所預測會出現的東西，但從沒有人見過， 」EHT 科學委員會主席，荷蘭 Radboud 大學教授 Heino Falcke 解釋：「這個陰影是因光受到重力彎曲，光子被事件視界攫獲而形成的，陰影對揭露這些謎樣天體的本質很有幫助，還能讓我們量得到，M87黑洞的質量究竟多巨大。」
多次獨立的EHT觀測中，四組團隊獨立地藉四種校正及成像方法，結果均一致呈現中心區黑暗的環狀結構－即所謂「黑洞陰影」。以獨立成像方法而獲得一致性結果，代表著陰影確實存在。
2017年4月5日、6日、10日、11日4度觀測，都呈現相同特徵：一個中間較暗的亮環－－正是十幾年來天文學家煞費苦心想獵取到的「黑洞陰影」。（Image Credit: EHT 團隊）
「在確定陰影成像成功後，我們可進一步將觀測結果和大量考慮了彎曲空間物理、極度加熱物質、強磁場等條件的電腦模型做比對。結果，很驚訝地發現到，觀測影像竟有許多特徵都與我們的理論預測相符」，中研院院士、EHT董事會成員、東亞天文台台長 [5] 賀曾樸表示。「這使我們對觀測的詮釋非常有信心，包括我們對黑洞質量的估計。」
建構EHT這樣一座望遠鏡是項艱鉅的挑戰，望遠鏡不僅需要升級，還要將它們互相連結成全球網絡；這些望遠鏡座落地點都是在高海拔的險峻環境，譬如：夏威夷和墨西哥的火山，美國亞利桑那州和西班牙內華達山群，智利的阿塔卡瑪沙漠，南極洲。
EHT使用一種稱為特長基線干涉（VLBI）的技術，讓世界各地的望遠鏡設備同步，加上利用到地球的自轉，能形成一個巨大如地球的望遠鏡，在1.3毫米波段觀測。VLBI技術使EHT達到20微角秒的高解析力 – 擁有這樣的視力，等於能從巴黎路邊咖啡館看紐約的報紙 [6]。
在2017年的觀測中實際參與的望遠鏡共有：阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡（ALMA），阿塔卡瑪探路者實驗（APEX），IRAM 30米望遠鏡，詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡，大型毫米波望遠鏡，次毫米波陣列望遠鏡，次毫米波望遠鏡、南極望遠鏡 [7]。各望遠鏡獲得的PB級巨量原始數據使用高度特製的超級電腦運算結合，由德國馬克思普朗克電波天文研究所和美國麻省理工學院的海斯塔克天文台提供。
EHT的建構及觀測成果，是數十年來觀測、科技、理論工作的結晶。這項全球攜手合作的經典範例，正因為有世界各地研究者的密切合作才得以實現。共同創建EHT的共有13個合作機構（含中央研究院天文所），運用多處既有基礎設施，也動用來自許多機構的支援。主要資金由美國的國家科學基金會（NSF），歐盟的研究科學創新執行委員會（ERC），和東亞的資金機構提供。臺灣方面主要資金來源是中央研究院和科技部。
EHT計畫主持人Doleman總結表示：「我們完成了一個幾十年前認為不可能的任務。科技大幅突破，世界頂尖電波望遠鏡互相連結，演算法取得創新，種種條件匯集一起，今天起，探索黑洞和事件視界的一扇新窗，已向我們開啟。」
影片備有中文字幕，可開啟
黑洞常見問題集：前往連結
參考連結：事件視界是什麼？
臺灣對EHT的貢獻
臺灣對EHT的貢獻
撰文：中研院天文所格陵蘭團隊
中研院天文所在EHT董事會13席成員組織中，除本身佔有一席以外，也是另一席「東亞天文臺」的成員機構之一。
EHT合作計畫成立於2017年，設有董事會，董事會職責為管理督導組織發展方向。中央研究院院士賀曾樸是中研院天文所特聘研究員，為13位EHT董事會成員之一。現為中研院天文所特聘客座研究員的井上允博士，退休前為中研院天文所特聘研究員，也是EHT董事會成員之一。中研院天文所列席在EHT的科學委員會上的有：中研院天文所副研究員淺田圭一博士、中研院天文所資深研究天文學家包傑夫。
井上允博士表示，「在2017年的EHT觀測中有8個望遠鏡參與觀測。從一開始格陵蘭望遠鏡的目標就是要觀測M87黑洞。格陵蘭望遠鏡是從2018年起加入EHT觀測，當然也是EHT重要成員。目前中研院天文所透過4座望遠鏡支援EHT全球觀測計畫，即：次毫米波陣列望遠鏡（SMA)、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA)、格陵蘭望遠鏡(GLT)和詹姆士克拉克麥斯威爾望遠鏡(JCMT)。其中前三座望遠鏡是從最初的興建階段開始，天文所就一直參與迄今。」
至於JCMT望遠鏡，賀曾樸院士說明，「JCMT是從2015年開始成為『東亞天文台』的一部分」，賀院士為東亞天文臺創始臺長，他目前也擔任著JCMT台長一職。東亞天文臺藉由 JCMT 的特長基線計畫，將所有東亞地區的特長基線成員機構都納入了EHT計畫中。賀院士過去曾主持SMA和GLT的興建，也主導臺灣加入ALMA計畫。
臺灣主導或協同運作的這四個望遠鏡，各有其特色及重要性：同樣位於夏威夷，甚至是在同一個山頭上（毛納基峰）的SMA和JCMT，這兩個是EHT陣列全部望遠鏡中，距離最短的，而這兩個望遠鏡也同時是EHT東西向最長基線的端點。 ALMA端點，則在整個EHT陣列中，扮演著最重要的角色，因為它提供很大的集光面積，所有其他望遠鏡的靈敏度都因ALMA而增強。最後一個，GLT端點，則是EHT網路中的最北端點。
中研院天文所GLT/VLBI 計畫研究科學家中村雅德博士表示：「2009年，井上允博士在中研院天文所建立了一支特長基線科學團隊，我和淺田圭一從那時起就帶著科學團隊開始做M87黑洞的研究，開始時是從較低的電波頻段。未來，若需要從2017年EHT觀測資料中去進一步了解M87黑洞自旋，先前我和淺田所取得的結果，將成為關鍵資料。我們的團隊在國際上已獲公認是在M87黑洞研究領域中居領導地位的研究團隊。 」
許多GLT計畫團隊成員同時也在EHT團隊中帶來不少貢獻，還有些科學家或工程技術專家提供了關鍵協助，所以才建造出讓臺灣加入EHT團隊所需要的一些特別望遠鏡專用的儀器系統。此外，SMA，ALMA和GLT在興建過程中獲得中研院和科技部大力支持，我們長期以來和國家中山科學技術研究院（NCSIST）有深入的合作。以上種種因素，造就臺灣在EHT團隊中不斷積極活躍，且在這次舉世注目的突破中發揮關鍵作用。
GLT團隊成員在EHT計畫中的貢獻，以領域及人員來說，包括：
著墨於黑洞噴流和吸積外流的中村雅德博士
協助ALMA的 phase-up計畫，使ALMA成為以單一望遠鏡計算集光口徑達88公尺的井上允和郭政育（中山大學）
協調EHT科學觀測提案的淺田圭一和中村雅德
實際執行EHT觀測的松下聰樹和淺田圭一
負責資料調校及成像工作的小山翔子、郭駿逸、羅文斌（台大博士班）－－附帶一提，這幾位是最早看到黑洞陰影影像的幾十個人之一。
包傑夫和淺田圭一，負責主持將研究成果撰寫成2019年4月份在ApJL期刊正式發表的幾篇論文。
製作出讓臺灣能參與EHT觀測的儀器和望遠鏡，仰仗的是科學和工程團隊的菁英，包括：陳明堂博士、王明杰博士、江宏明、李昭德博士、松下聰樹博士、張書豪、陳重誠、游晨佑、黃智威博士、黃耀德、劉冠宇博士、蕭仰台、韓之強、魏大順、Derek Kubo、George Nystrom、Dr. Patrick M. Koch、Peter Oshiro、Philippe Raffin、Pierre Martin-Cocher、、Ramprasad Rao、Ranjani Srinivasan、Ryan Chilson。
中山科學院幫我們打造出世界一流水準的天線和接收機 ，這幾位是：韓國璋博士、張志成、張松助、荊溪暠博士、劉慶堂、呂理銘等。
格陵蘭望遠鏡的下一步
格陵蘭望遠鏡的下一步
提昇望遠鏡的角解析率，可藉由兩種方式達成，一是望遠鏡的鏡面變大，二是用更短的波長（＝更高的頻率）。值得注意的是，角解析率的數字越小，表示解析能力越好。格陵蘭望遠鏡加入後，EHT的鏡面尺寸（稱為「基線」，也就是兩座望遠鏡間的最遠距離）達到將近9000公里，角解析率顯著提高。
第一位建議把望遠鏡放在格陵蘭的淺田圭一博士，目前是中研院天文所副研究員，2019年4月記者會中，他表示，根據2017年的EHT結果，我們已知較長基線得到的信號相對穩定，而較短基線的訊號則隨時間快速變化（按來自7天觀測期中的4天觀測結果）。鑒於我們不認為超大質量黑洞的質量和自旋會隨時間快速變化，因此，這表明了，在事件視界附近與廣義相對論相關的特性，較長基線會比較短基線提供更多的訊息。由於格陵蘭望遠鏡將是EHT南北向最長基線的端點，在未來，對廣義相對論的檢驗，格陵蘭望遠鏡將發揮更重要的作用。
將望遠鏡移到格陵蘭島冰層最高處，這對於更短波長（更高頻率）的觀測而言，是必要的。雖然圖勒空軍基地是一個滿不錯的落腳點，但它位置靠近海平面，海拔低，望遠鏡上方空氣仍很多。格陵蘭峰頂則位於海平面以上3200公尺，高海拔，大氣稀薄許多，水氣的含量也更少，這非常有利於高頻觀測。
格陵蘭峰頂非常寒冷（-60℃），大氣中大部分水氣都凍結成冰。較低的水氣含量意味著，天文觀測目標所發出的大部分高頻電波，望遠鏡都能接收到。先天條件這麼優異的望遠鏡站台候選地點，在地球上非常稀有，僅有夏威夷的毛納基峰頂，（即JCMT和SMA所在地），智利的阿塔卡瑪沙漠（ALMA所在地）和南極望遠鏡所在的南極等幾個位址，可與格陵蘭峰頂具備條件相提並論。這少數幾座條件難得的望遠鏡，在以最高頻率觀測時，能提供最優良的角解析力，可望將目前黑洞陰影影像的解析力再提高10倍。
中研院天文所研究員兼夏威夷運營副所長陳明堂博士進一步解釋說，目前正在研究的是，如何將望遠鏡移至格陵蘭峰頂站臺，以及如何在峰頂上蓋出一個望遠鏡站台。峰頂站臺不僅位置偏遠，天候和地理環境惡劣，能用的水電等基礎設施也非常有限。格陵蘭團隊目前是在圖勒站點測試天線和零件，現有目標是繼續提高望遠鏡的可靠性。
丹麥已表示希望加入格陵蘭望遠鏡的行列，一起努力。未來，臺灣將與極地環境經驗豐富的丹麥研究人員合作，看如何能將望遠鏡運送到位處偏遠的站臺地點，並建造望遠鏡和水電等基礎設施等。臺灣中研院天文所還將與丹麥天文學家就格陵蘭望遠鏡的科學研究展開合作。
格陵蘭望遠鏡最初計畫是由臺灣提案，也是臺灣投資在「ALMA北美」合作案中的再度利用。2013年時，中研院天文所與美國史密松天文台共同獲得ALMA北美團隊所造的12米原型天線的使用權。望遠鏡經改裝以適應極地條件後，運至格陵蘭島，再度組裝完成，經與ALMA連線後，形成最長基線，提供最佳角解析力，是北極地區現役唯一天文觀測設備。2017年冬天，格陵蘭望遠鏡接收到第一道訊號，2018年四月開始加入EHT觀測。
附註
附註
[1] 黑洞是個全暗的物體，光線不能從黑洞逃離。本次取得的這個顯示著黑洞陰影的影像，是人類能取得最接近黑洞本身的圖像。黑洞的邊界叫做「事件視界」－「事件視界望遠鏡」因此命名；事件視界大小約僅本身所投陰影五分之二而已，直徑不到400億公里。
[2] 超大質量黑洞，在天體之中其實相對微小，因此此前一直無法直接觀測。黑洞的大小和其質量相關，質量越大，陰影也越大。由於M87星系的黑洞質量非常大，且與地球相對較近，預估是從地球上能看到的最大黑洞，這使它成為EHT最佳觀測目標。
[3] 望遠鏡雖非實體連接在一起，但能透過氫邁射原子鐘同步觀測資料，其功能是對觀測時間精確地計時。2017年的全球觀測收集的是波長為1.3毫米的電波訊號。EHT的每個望遠鏡觀測時都會產生大量數據 – 增加速度約為每天350TB – 這些資料被儲存在填充氦氣的高效能硬碟中，然後用飛機送到位於馬克斯普朗克電波天文研究所和麻省理工學院海斯塔克天文台的高度特製化超級電腦（又名「相關器」）加以合成。這些資料使用EHT成員開發的創新計算工具，費一番功夫方能成像。
[4] 100年前曾有兩支探險隊前往非洲海岸的普林西比和巴西的索布拉，觀察1919年的日全食，目的是要檢驗廣義相對論，看星光是否如愛因斯坦所預測，在太陽邊緣彎曲。呼應那次歷史性的觀測，EHT同樣也派遣其團隊成員前往世界上最高、最為邊境的電波望遠鏡站點，再度檢驗人類對重力的理解。
[5] 參與EHT計畫的東亞天文臺（EAO）成員代表亞洲許多地區的參與，包括中國，日本，韓國，臺灣，越南，泰國，馬來西亞，印度，印尼。
[6] 未來加入IRAM NOEMA天文台，格陵蘭望遠鏡和基特峰望遠鏡後，EHT的觀測靈敏度將顯著提高。
[7] ALMA的合作成員為：歐洲南天天文台（ESO；代表其歐洲成員諸國），美國國家科學基金會（NSF），日本國家自然科學研究院（NINS），國家研究委員會（加拿大），行政院科技部（MOST；臺灣），中央研究院天文及天文物理研究所（ASIAA；臺灣），韓國天文及太空科學研究院（KASI；大韓民國），及智利共和國。APEX由ESO運營，IRAM 30米望遠鏡由IRAM運營，詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡由EAO運營，大型毫米波望遠鏡由INAOE和UMass運營，次毫米波陣列望遠鏡由史密松天文台和中研院天文所共同運營，次毫米波望遠鏡由亞利桑那州電波觀測站（ARO）運營。南極望遠鏡由芝加哥大學運營並由亞利桑那大學提供EHT專用儀器。
補充資料
補充資料
天文物理期刊通訊已以特刊方式刊登六篇論文發表此研究突破。
EHT有來自非洲，亞洲，歐洲，北美和南美200餘位研究學者參與。 這項國際合作致力於構建一座相當於地球大小的虛擬望遠鏡，藉以獲取史上細節最豐富的黑洞圖像。EHT 在各國大量資金支持下，用新穎系統串連現有望遠鏡，創造了一種具備前所未有之高角解析力的新型天文儀器。
參與 EHT 計畫的望遠鏡是：ALMA、APEX、IRAM 30米望遠鏡、IRAM NOEMA天文台、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡 (JCMT)、大型毫米波望遠鏡 (LMT)、次毫米波陣列望遠鏡 (SMA)、次毫米波望遠鏡 (SMT)、南極望遠鏡 (SPT)、基特峰望遠鏡、格陵蘭望遠鏡 (GLT)。
EHT聯盟由13個主要機構組成：中央研究院天文及天文物理研究所，亞利桑那大學，芝加哥大學，東亞天文台，法蘭克福歌德大學，電波天文毫米波研究所，大型毫米望遠鏡，馬克斯普朗克電波天文研究所，麻省理工學院海斯塔克天文台，日本國立天文台，圓周理論物理研究所，拉堡德大學和史密松天文台。
黃珞文 譯
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