次毫米电波天文观测与黑洞

黑洞是一个恒星在演化的过程中，所会产生在天文观测上的一个结果。但由于其奇妙的特性，诸如所有物质都会被其强大的引力所吞噬，连光线都无法逃脱。而黑洞内又是另一维度的空间，有可能贯通过去与未来，总是带给人们无限的想像空间。因此能实际观测到黑洞，一直是天文学上最企盼且最具挑战的工作。

在过去天文学家仅能用间接的方法去推测黑洞的存在，直到2019年4月，全球300多位科学家及工程师们，共同发表了史上第一张所观测到黑洞的照片，并与理论预测的结果一致。这不仅是科学史上的壮举，同时也是工程界的一大成就，而我国中央研究院天文所，更是在这次多国参与的大型合作计划Event Horizon Telescope EHT中，扮演重要的角色。

星球或星系所具有的能量，主要是以电磁波的方式对外辐射，而观测不同频率的电磁波，可以在天文观测上得到不同的信息，此次所观测到黑洞的照片是使用次毫米波 (sub-millimeter wave) 的频段，波长小于1mm，频率在300~1,000GHz。由于黑洞强大的引力，不仅会吸引附近的星球或星系，一旦愈来愈靠近甚至会撕裂解体整个星球。而所产生带能量的化学气体及尘埃，其辐射电磁波的波长就落于次毫米波。

此次所观测到的黑洞是离我们5,500万光年，编号M87的超大号黑洞，质量约为太阳的65亿倍。使用次毫米波且要能够观测到这麽线上离的黑洞，需要等同于地球周长直径的碟型天线，这在工程上几乎是不可能的。所幸在数十年前，无线电波天文观测已使用天线阵列(array)，将阵列中各天线所接收的信号，经由相位间傅立叶转换，来增加观测的分辨率，就如同茱蒂．佛斯特所主演电影《接触未来》中，电波天线阵列的场景。

天线阵列可以将观测的基线拉长，就可以增加视角以提升分辨率。只是此次EHT所需要观测的阵列基线更宽，得横跨地球各洲，所以包括夏威夷、美国本土加州及亚利桑那州、南美智利，欧洲的西班牙、甚至于南极及位于北极圈的格陵兰，共有8座次毫米波无线电波天文台的参与。每座天文台需要同步准确地记录观测时间，而事后大量的电脑数据处理与过滤又经历了2年，才呈现给世人一张完整黑洞的照片。

除了横跨地球的次毫米波阵列，300~1,000GHz次毫米波信号接收器，也是工程上相当大的挑战。由于外太空的信号非常微弱，接收器需要操作在绝对温度10度以下的极低温，以降低系统的杂讯。由天线下来的信号首先经过超导体的混频器(mixer)降为中频，再经过中频的超低杂讯放大器。而提供混频器的本地振荡器(local oscillator)，是经由倍频(doubler)的技术，才有可能产生出300~1,000GHz的本地信号源。所以无线电波天文界所使用的技术与元件，一直是超越商用无线通讯系统，甚至可说是为下一时代无线通讯系统做超前部署。

假使地球的质量塌陷到1厘米直径，此时强大的地心引力，也会使物质脱离地球的逃逸速度达到光速，地球也就成为微小的黑洞。以恒星而论，需要约为太阳10倍以上质量的星球，才有可能最后演化为黑洞。

爱因斯坦的相对论虽然没有预测到黑洞的存在，但是却提供了黑洞存在的理论基础。他在1905年所发表的狭义相对论，将时间与空间整合在一个方程序中；但是狭义相对论仅能处理惯性系统，在加速度的作用下就失效了。所以爱因斯坦在1915年发表了广义相对论，更进一步地将质量也就是重力，整合进一个场的方程序中。在一个质量密度极高物体，周围的时空会扭曲成塌陷的深井，就如同黑洞，光线都无法逃脱出来。

2015年人类发现重力波的存在，证实了爱因斯坦广义相对论的预测。而此次所观测到的黑洞，又再次地验证了爱因斯坦的理论。物理学大师惠勒对广义相对论，曾下了一个非常贴切的注解：质量作用在时空上，告诉时空如何弯曲；时空作用在质量上，告诉质量如何运动。