淺田圭一／日本綜合研究大學院大學天文博士。目前為中央研究院天文及天文物理研究所副研究員，格陵蘭望遠鏡計畫科學家。研究興趣為 VLBI 天文物理學。

松下聰樹／日本綜合研究大學院大學天文博士。目前為中央研究院天文及天文物理研究所研究員，格陵蘭望遠鏡計畫主持人。

黃珞文／輔大跨文化翻譯研究所碩士，任職於中央研究院天文及天文物理研究所。

 

 

 

2020 年，德國天文物理學家根策與美國物理學家吉茲共獲諾貝爾物理獎，獲獎原因為「發現銀河系中心的大質量緻密天體」。

說起黑洞，其實早在 1915 年愛因斯坦提出廣義相對論的場方程後不久，德國物理學家史瓦西（Karl Schwarzschild）就已用數學方程式對其進行描述。然而在接下來的半個世紀，天文學界對於黑洞的關注卻僅限於數學和理論上的推導。直到 1963 年，荷蘭天文學家施密特（Maarten Schmidt）於類星體 3C 273 上，發現氫原子的巴耳末系光譜出現了強烈的紅移現象，因此他認為 3C 273 並非恆星，而是某遙遠星系之中的一個活躍星系核（active galactic nucleus），這也終於讓天文學界開始思考到底是什麼原因能讓某個非常小的區域變得非常明亮？而此現象的其中一個解釋為，當物質吸積在類星體中心的黑洞上所釋放的重力位能（gravitational energy）。至此，天文學界開 始認真尋找星系中心存在著黑洞的證據。

 

從天體運行的軌道尋找蛛絲馬跡

計算天體的運行軌道是天文學研究中一項既悠久又基本的方法之一。從太陽到行星等天體的質量都能用這種方法計算出來，而今年獲得諾貝爾物理獎的根策與吉茲也正是採用此方法。在 1990 年前後，根策與吉茲帶領各自的團隊計算天體運行的軌道，透過了解恆星的運動，以期進一步探究銀河系中心的超大質量黑洞。在包括智利的新技術望遠鏡（New Technology Telescope, NTT）、超大望遠鏡（Very Large Telescope, VLT）及夏威夷的凱克天文台（W. M. Keck Observatory）的幫助下，兩團隊各自努力並取得了高準確度的軌道測量結果。

 

想方設法克服觀測的困難

由於地球與銀河系中心之間，有很多會吸收可見光的塵埃阻隔，因此我們難以在地球上直接以可見光望遠鏡觀測銀河系中心。這個問題可以用紅外線望遠鏡解決。不過，透過紅外線望遠鏡雖能觀測位於銀河系中心附近的恆星，但有個會造成星星「一閃一閃亮晶晶」的東西卻仍然讓觀測困難重重，那就是：地球大氣。

星光一閃一閃的原因來自於大氣的擾動。即使在海拔 4,000～5,000 公尺的觀測點都難逃星光閃爍所帶來的阻礙。由於閃爍的星光會導致觀測圖像中的恆星位置產生波動，使圖像變模糊，解析度無法提高。起初，根策和吉茲的團隊都試圖利用高靈敏度的感測器和極短的曝光迴避大氣擾動效應的問題。運用這些方式一方面是因為曝光時間短，相對能順利拍到亮星；另一方面，一系列的短曝光還需要把恆星的圖案對齊並層層疊加，以獲得更清晰的圖像，但這些做法仍受限於望遠鏡的繞射極限（diffraction limit）。

所幸他們應用開發出了一種新技術來解決大氣擾動的問題，那就是自適應光學（adaptive optics）。最終，在對這些恆星持續觀測多年後，兩個獨立團隊各自畫出了許多恆星在圍繞著一個巨大緻密天體運動的軌跡圖。

 

什麼是自適應光學？

自適應光學技術是一種用來解決受大氣擾動而影響觀測影像的工具。此方法是先觀測距離目標較近的亮星，或是以雷射光打出人造星點，計算觀測時的大氣條件。在獲得大氣資料後，藉由電腦的輔助讓觀測的鏡面變形，以抵銷大氣擾動帶來的影響。利用自適應光學技術，在地面上獲取的圖像與部署在太空的天文望遠鏡的拍攝效果類似。圖一為凱克天文台所拍攝的銀河系中心影像，可比較有無使用自適應光學技術的差異。當使用自適應光學後，我們能在不受大氣干擾的條件下拍攝黯淡天體的細微特徵，且能透過光譜學測量到恆星的三維運動。

 

▲圖一：自適應光學技術的效果。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／These images/animations were created by Prof. Andrea Ghez and her research team at UCLA and are from data sets obtained with the W. M. Keck Telescopes.

 

追蹤恆星的軌道運動

有了自適應光學技術後，根策與吉茲的團隊開始耐心追蹤銀河系中心的恆星運行軌道。有趣的是，其中一顆編號為 S2 的恆星與銀河系中心最短相距僅 17 光時（light hour），繞行銀河系中心的公轉軌道為長橢圓形，離心率為 0.88，這代表 S2 的軌道周期很短，約 16 年就可繞完一周，公轉速度達到每秒 5,000 公里（用這個速度從臺北飛到夏威夷只需不到 1 秒）。更重要的是，利用新技術望遠鏡、超大望遠鏡及凱克天文台等三座望遠鏡所獲得的兩個測量結果都非常一致（圖二）。

在獲得這些軌道資料後，兩團隊估計在距離銀河系中心 125 天文單位（AU，約為太陽和地球間的平均距離）的範圍內，有一個質量約為太陽 400 萬倍的大黑洞。由於 125 AU 在天文上算是很小的範圍，而這麼大的質量能塞進那麼小的空間之中，唯一合理的解釋就是在銀河系中心的緻密物體是一顆超大質量黑洞！此發現也成為了他們獲得本次諾貝爾物理獎的原因。

 

▲圖二：S2 的軌道運動。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／ESO/MPE/GRAVITY Collaboration

 

持續觀測銀河系中心的黑洞

目前，天文學家對銀河系中心的追蹤觀測仍持續進行，藉由 VLTI 干涉陣列（Very Large Telescope Interferometer）能達到毫角秒等級的強大解析能力，對於這顆位於銀河系中心的黑洞質量估計也更為精準。目前的估計約為 4.11±0.03 萬的太陽質量。

事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）已於 2019 年拍攝到 M87 黑洞，成就了史上首張黑洞影像的壯舉。該望遠鏡將世界各地電波望遠鏡以干涉技術結合，形成口徑大如地球的虛擬式望遠鏡，解析力非常高。這張影像也成為了宇宙中有黑洞存在的最有力證據，我們相信它對 2020 年諾貝爾物理獎評選有推波助瀾的效果。此外，事件視界望遠鏡也在 2017 年時觀測了銀河系中心，目前中研院天文所的黑洞團隊正努力重建這張黑洞影像。事實上，這顆位於銀河系中心的黑洞所發出的偵測訊號瞬息變化，再加上銀河系中心與地球中間的星際塵埃所造成的擾動，都是重建該張黑洞影像亟待克服的難題。

由中研院天文及天文物理研究所主導的格陵蘭望遠鏡（Greenland Telescope，圖三）在 2018 年已成為事件視界望遠鏡的成員之一，未來預計還會加入另外兩個由法國及美國所主導的望遠鏡團隊，期待未來將獲得 M87 黑洞陰影更清晰的圖像，並拍到靠近噴流發射區的圖像。

 

▲圖三：由中研院天文及天文物理研究所主導的格陵蘭望遠鏡。圖片來源／作者提供

 

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2020 年 12 月