黑 洞
從牛頓到愛因斯坦，
我們對重力的理解發生了哪些變化?
重力是宇宙中四種基本力量之一，與電磁力和強弱核力並列，這四種力量也構成了物理學的基礎，決定了宇宙中一切事物的相互作用，從星系之間的交互作用到原子核內部的夸克是如何結合的。重力雖然是基本作用力中最弱的，但它是我們最早認識到的力，雖然一直到牛頓之前我們對於重力並沒有一個好的科學解釋。黑洞是宇宙中最神秘和令人著迷的天體之一，我們對黑洞的研究對於理解宇宙結構、引力本質以及時空的奇特行為至關重要。
圖：卡爾•史瓦西（Karl Schwarzschild）
在愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論中，利用場方程式描述時空幾何與式空中物質與能量的關係。隔年，德國物理學家卡爾•史瓦西（Karl Schwarzschild）發現了質量周圍球對稱彎曲時空的數學描述，該解成為後來理解黑洞的基礎。1963年,紐西蘭數學家卡爾(Roy Kerr)發現了旋轉黑洞周圍時空的數學描述。幾年後，1967年，理論物理學家約翰•惠勒（John Wheeler）首次在正式科學會議上定調了“黑洞”這一名稱。
黑洞的概念並不是一開始就被人們接受。從約20世紀60年代開始，天文學家慢慢意識到黑洞可能是許多觀測到的天體最自然的解釋。其中包含對類星體(quasar)的發現以及其巨大能量來源的解釋，以及在1971年發現的天鵝座X-1（Cygnux X-1）。
黑洞是一個密度極高的天體，其重力強大到連光都無法逃脫。黑洞的形成通常與質量巨大的恆星的生命週期有關。當這些恆星耗盡其核心燃料，無法繼續核融合過程時，它們將發生超新星爆炸。在爆炸過程中，恆星的外層會被彈射出去，而核心部分則開始塌縮。如果剩餘的核心質量足夠大（通常大於3倍太陽質量），核心將繼續塌縮，直到形成一個密度極高的天體，即黑洞。這個過程中，因為重力勝過了其他支撐力，使得核心無法抵抗自身的重力，最終導致黑洞的形成
圖：紅圈表示就是天鵝座X-1所在的位置
質量約比太陽的質量數倍到數百倍的黑洞屬於”恆星級質量”的黑洞，由大質量的恆星演化而來。銀河系內可能存在數十個恆星質量的黑洞。恆星級質量的黑洞可能與伴星互繞而形成雙星系統，其伴星的物質被黑洞吞噬的過程中所產生的輻射可以間接透露出黑洞的存在。
圖為藝術家繪製出來表現黑洞正在吞噬伴星的物質
具有質量為數百萬到數百億個太陽質量的黑洞被稱為“超大質量黑洞。目前由事件視界望遠鏡團隊成功觀測的兩個黑洞影像，都是此種黑洞（M87&人馬座A星）。科學證據表明，每個大型星系的中心都包含一個超大質量黑洞。銀河系中心的超大質量黑洞被稱為“人馬座A星”。目前為止還沒有天文學家能夠完全了解質量那麼大的黑洞是怎麼形成的。因此，它們的存在仍然是天文學上的一個謎！
圖為新發現的超大質量黑洞質量為327億太陽質量，位於星系團Abell 1201中的巨大橢圓星系Abell 1201 BCG的中心
理論上，在宇宙大霹靂最初時刻可能由能量擾動產生太初黑洞。霍金在70年代提出了這種黑洞的概念。太初黑洞質量可以從極小到相當於十萬個太陽質量。這種黑洞就算小到單個原子的大小，但質量卻相當於一座大山。太初黑洞可能非常明亮，因為小質量黑洞在蒸發時會發出強烈的電磁波。天文學家曾嘗試通過多波段電磁波尋找太初黑洞，但迄今未能發現這類微型黑洞。
圖為藝術家筆下的示意圖，天文學家認為宇宙誕生的初期充滿了此類型的黑洞
在黑洞附近高速繞行的吸積流，不但非常熱並能發出明亮的輻射，間接透露出黑洞的存在。
我們可以通過觀察黑洞周圍可見物體的運動來找到它們。這就是2022諾貝爾獎得主安德烈·蓋茲(Andrea Ghez)和 賴因哈德·根舍(Reinhard Genzel) 的團隊如何檢測到我們銀河中心的超大質量黑洞的方式。
我們還可以通過檢測兩個黑洞相互碰撞過程中在時空中傳遞的擾動來探測它們。通過這個信號，我們可以知道兩個黑洞的質量、軌道形式以及它們碰撞時的速度。
望遠鏡越大可以看得越清楚以及越暗淡的天體目標，但我們無法沒有限制的造出一座很大的望遠鏡，於是科學家在電波波段利用干涉技術法將分布在廣大面積的天線信號組合，形成模擬的巨大陣列式望遠鏡。透過光纖與專門的超級電腦處理訊號。特長基線干涉（VLBI）技術利用相隔數百或數千公里的望遠鏡同時偵測太空中的同一訊號源。各地望遠鏡資料先記錄並儲存，再運送到同一地點，由電腦重播並合成資料。如此一來，望遠鏡不需實際相連，只需讓每個望遠鏡的信號能在相關器中重播，便可結合世界各地望遠鏡的解析力與資料，創建虛擬化巨大電波望遠鏡，等效口徑可達地球直徑大小般的望遠鏡。用電波觀測的另一個好處是黑洞周圍的吸積流在約一毫米的電波波長觀測時，開始顯得透明而讓我們有機會看見黑洞的樣貌。
事件視界望遠鏡（EHT）就是一個由數座次毫米波望遠鏡組成的全球陣列，透過電波干涉技術虛擬出一個地球大小的望遠鏡，達到前所未有的解析度（20微角秒）。這樣大的望遠鏡是為了觀察距離地球最近的大黑洞，如室女座M87的黑洞。傳統望遠鏡無法完成這項任務，但特長基線干涉技術的發展使之成為可能。隨著更多望遠鏡加入計畫，解析度將進一步提高，帶來更清晰的黑洞影像。EHT是一個還在擴展中的望遠鏡網絡。2017年4月在全球6個地理位置一共8個觀測站做了觀測。2018年的觀測中，陣列中新增了位於北極圈的格陵蘭望遠鏡，共在7個地理位置，有9個觀測站參加。於2020年新增兩個觀測站後，在全球9個地理位置上有11個觀測站。
事件視界望遠鏡團隊分別在2019年與2022年公布了分析電波訊號後得到的位於M87星系中心以及我們銀河系中心的超大質量黑洞影像。
兩張影像的形象接猶如一個甜甜圈，中間是黑色的“洞”，周邊則是發亮的“環”，讓人們留下了十分深刻的印象。這個“甜甜圈”其實是由於黑洞的強大重力吸引並扭曲了周邊環境(如吸積流)的光線，形成了一種稱為“重力透鏡”的現象，使得光線環繞黑洞形成一個明亮的環。
