文：余海峯博士
尋找黑洞百年
在此後的 100 年間，許多科學家都想在宇宙中找到黑洞真實存在的證據。例如在 1964 年發現的 X 射線源天鵝座 X-1（Cygnus X-1）。
天鵝座 X-1 位於離太陽系 6,000 多光年的地方，是個所謂的高質量 X 射線雙星系統。在這雙星系統之中，其中一顆是擁有約 21 倍 太陽質量，但屬非常細小的緻密天體，而它的同伴則是一顆明亮的超巨星。
天鵝座 X-1 能夠放出極強的 X 射線、有著高質量的緻密天體，因此其真身只有一種可能 —— 黑洞。利用史瓦西半徑公式計算，天鵝座 X-1 黑洞的事件視界半徑約為 62 公里。相比之下，太陽的史瓦西半徑只有 2.9 公里（當然我們的太陽並非黑洞）。不過天鵝座 X-1 黑洞亦（非常）可能會旋轉，所以它就不會是個完美球體，並且有兩個事件視界（當中涉及的物理暫且不在此文討論）。
時間來到 2017 年，EHT 團隊觀察了 M87 星系的中心，並於 2019 年 4 月 10 日發表人類史上首張「黑洞的影子」照片 —— 位於星系 M87 中心的超大質量黑洞 M87*（讀作「M87 星」或「M87 star」）。
2021 年，團隊又為這張照片加上更多資訊：光的偏振。光線通過磁場時會發生偏振，因此這項新資訊能夠讓我們對黑洞外面的磁場有更深入的了解。而了解黑洞周圍的磁場，有助科學家明白為何 M87* 雖只有太陽系的尺寸，卻能把氣體畢直地噴往 5,000 光年外的地方。
M87* 距離銀河系 55,000,000 光年，而太陽系離開銀河系中心只有約 27,000 光年。相比之下，這次拍攝的銀河系中黑洞人馬座 A* 簡直可形容為「近在眼前」。
從地球上看，人馬座 A* 的吸積盤視直徑是 50 微角秒，而 M87* 的吸積盤視直徑則是 42 微角秒。即使人馬座 A* 比 M87* 足足近了 2,000 多倍，人馬座 A* 看起來卻與 M87* 的大小差不多！這是因為人馬座 A* 比 M87* 輕了 1,600 多倍，與兩者距離太陽系的比例剛好差不多。
既然人馬座 A* 比 M87* 看起來還要大，那為何 EHT 要在發表 M87* 的 3 年後才發表人馬座 A* 的研究結果呢？拍攝一個（看起來）比較大的東西不是更容易嗎？根據 EHT 團隊的解釋，原因有兩個：一、人馬座 A* 的變化很快；二、來自人馬座 A* 光線需要穿透銀河系的星際物質才能抵達地球，因此需要更多時間才能收集到足夠的數據。
EHT 團隊的陳志均教授說：「氣體需要以日至星期計的時間環繞 M87* 公轉，但因人馬座 A* 比較細小，氣體公轉只需幾分鐘。因此人馬座 A* 的光度和氣體分佈都改變得很快，EHT 拍攝人馬座 A* 就好像拍攝一隻小狗追著牠自己的尾巴。」
拍攝黑洞對人類有甚麼好處？即時可見好處的話，答案可說是「沒有」。誰知道今天的科學進步，能為明天的社會帶來甚麼？能確定的一點是，如果今天不去做的話，明天甚麼也不會得到。
從米歇爾對暗星可能存在的想像，到今天 200 多年當中，人類對宇宙各種各樣的好奇心成就了多少今天的繁華？
如果我們不曾到來，這裡就只有一片黑暗。
——「宇宙兄弟」
參考資料
- Miller-Jones, J. C. A., et al. 2021, Cygnus X-1 contains a 21–solar mass black hole—Implications for massive star winds, Science, 371, 1046-1049 pp.
- The Event Horizon Telescope Collaboration 2019, First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole, The Astrophysical Journal Letters, 875, L1
