超大質量黑洞攝影之挑戰

（原文參考：http://www.eso.org/public/usa/outreach/first-picture-of-a-black-hole/blog/）

日昇日落，冬盡春來，話說天文學家懷有｢看見黑洞｣的豪情已經很多年了，但現在「事件視界望遠鏡」和「全球毫米波特長基線陣列」聯手觀測（兩者分別簡稱為EHT及GMVA），夢想成真的日子不再遙遠。有人或許不知道，有幾個臺灣參與建造或運營的望遠鏡也參與了這個全球合作，那就是：SMA望遠鏡、ALMA望遠鏡、JCMT望遠鏡（由東亞天文臺運營，中研院天文所也是東亞天文臺四個成員機構之一）。

為了能看到人馬座A*的事件視界陰影，還有不少學者和尖端科技團隊加入這次的全球總動員──畢竟為黑洞陰影攝影並不像拿起普通相機那樣隨拍即得的簡單。

雖然人馬座A*具有太陽4百萬倍的質量，然而相距2萬6千光年之遙，使我們從地球看過去，只是看到了一個小黑點而已。擷取人馬座A*的圖像需要的是極高解析力。之前在本系列貼文第五篇中我們說明過，其中關鍵技術必須利用到特長基線干涉法（以下簡稱VLBI），這種技術能結合來自世界各地望遠鏡的解析力和資料，創建出一個虛擬化、極巨大的電波望遠鏡。

任何電波望遠鏡，如果想知道它的解析力是多少，只要把望遠鏡所觀測的「電波波長」和「望遠鏡口徑大小」套進公式一算可知。在VLBI這種技術中，則「口徑大小」就等於「天線間距」。然而，在實際觀測時有好幾種雜訊和誤差會干擾望遠鏡性能，影響解析力。

使用VLBI相連的每個天線都配備極精準的原子鐘，可記錄下是在什麼時間收到了觀測目標天體發出的電波訊號。稍後，在合成收集到的資料時，用這些時間資訊當參考基準，可以把電波訊號抵達每個天線的時間做出很精確的調整。

但實際執行過程並不簡單，因為地球大氣會擋掉一些特定範圍波長的訊號，好幾種分子，包括大氣中的水氣，在電波通過大氣時會把一部分電波吸收掉。波長越短的電波，越容易被吸收。為了把大氣吸收效果降至最低，所以電波望遠鏡大多建造在高海拔乾燥地點，但即便如此，這種效應仍不可能為零。

www.eso.org/public/images/ann14048a/

ALMA位於智利北部查南托高原的阿塔卡瑪沙漠，海拔高度5000公尺。

Credit: A. Marinkovic/X-Cam/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

這種吸收效應最棘手的是：電波在通過含水氣的大氣時，方向會略微偏折，意味著電波抵達每個天線的時間都變不同，這讓在合成資料上需使用時間資料來當參考基準的工作更困難：因為VLBI利用的是間隔相距數千公里遠的天線，所以VLBI的天文團隊還必須一併考慮位在每個觀測站上空的水氣量差異，以及於觀測進行期間的水氣含量有無較大波動等因素。這些波動在可見光波段觀測時會讓星光閃爍、降低解析力，在電波波段觀測時，同樣帶來類似的問題。

中研院天文所「格陵蘭望遠鏡*與次毫米波特長基線干涉儀計畫」主持人松下聪樹副研究員對這個問題深入研究多年，他認為在VLBI觀測上，減少這種效應的方法不太多，譬如說，如果在目標天體附近有強烈輻射緻密天體，可以使用該強輻射源作為參考值來消除多數電波通過水氣時的折射效應。可惜，在靠近人馬座A *附近，並沒有找到這樣的強輻射參考源：此難題一。其次，即使有參考源也不夠，因為還有其他必要條件必須滿足；或者望遠鏡具備能在同一時間觀測到目標天體和參考源的能力，或者望遠鏡有高速驅動機讓他能在觀測目標天體和參考源間快速地切換，二者必須擇一具備，然而，並非所有參加EHT / GMVA觀測的望遠鏡都滿足這項條件。要解決水氣效應問題，還有一個方法是，讓每個天線都裝設能測水氣含量的儀器，但目前唯獨ALMA已採納此法。

另一項黑洞攝影的主要挑戰在於如何取得高畫質。藉由把相距幾千公里的天線收集到的資料加以組合，VLBI的解析力達到和直徑數千公里之電波望遠鏡相等，但是，VLBI也有很多空白區域沒有任何天線加以覆蓋，這些完全沒資料的部分，讓VLBI很難從合成資料中得到目標天體的高畫質，這是所有電波干涉儀必須面對的常見問題，連ALMA望遠鏡也不例外；但這在VLBI是個更嚴重的問題，因為在VLBI網路裡的天線，彼此相隔得更遠！

大家自然而然都以為「就像我們的數位相機一樣」更高解析力就是更高的畫質，但其實在電波觀測上，解析力和畫質是完全不同的東西。所謂「解析力很高」代表的是，兩個天體不管距離多近，望遠鏡都仍然可以分辨出那裏有兩個個別的東西而不以為是同一個。畫質好壞，則看它能否精確地重現觀測物體的圖像結構。以一片葉子來說，如果葉子上有很多脈絡，解析力好與不好，表現在「看得到多精細的脈絡」，畫質高低則看他能否「顯現出整片葉子的脈絡散佈」。的確，人類的感官經驗讓我們認為：假如能看到一片葉子精密的細節卻不能很有把握地說整片葉子長什麼樣子，未免也太怪異了吧──但這樣的事在VLBI則屬實，因為部分資料空缺實在無法避免。

用這張資訊圖來解說ALMA為什麼對EHT觀測很有幫助。ALMA的基線較EHT為短，ALMA於觀測較大尺度時的靈敏度比EHT高，所以在面對尺度較大的結構且EHT解析力較差時，ALMA可以填補其不足。圖像版權：NRAO

在提高圖像品質方面，研究人員幾乎打從有了「電波干涉」這種方法的第一天開始，就一直不斷在嘗試提昇資料處理技術，有些比較成熟方法已經廣泛使用，另一些仍處於試驗階段。EHT和GMVA的宗旨都在於拍到黑洞事件視界陰影之圖像，也在觀測前進行數值模擬，一直研究圖像分析的方法。下圖是數值模擬所得到的人馬座A *之超大質量黑洞圖像，EHT近期的觀測最後有可能會取得的，就是一張像這樣的圖像。在左右兩圖的中心處有黑暗的間隙，即黑洞陰影。

www.eso.org/public/images/akiyama_sgra/

圖像版權：Kazunori Akiyama (MIT Haystack Observatory)

EHT和GMVA的聯手觀測在2017年4月已完成，世界各地天線收集到的資料也分別送往了美國和德國，透過叫做「相關器」的專用電腦，分別在兩個地方各自處理資料。屬於EHT陣營的南極望遠鏡的資料最晚到，將在2017年年底才會送抵美國，再進行資料校準和合成的步驟，要是一切順利的話，在那之後便可開始準備製作圖像。最後這一步驟的資料處理過程可能需時幾個月之久，然後有機會實現目標，取得人類史上第一張黑洞影像。是全球黑洞研究學者和天文學界期待多時的一刻。

因為資料的處理和分析過程必然耗時，也必須謹慎，從觀測到結果之間必經的是：漫長等待；對此，天文學家早就習以為常。目前我們只能耐心地一起等待天文學家實現多年夢想的那天到來。

所以，這也是「創舉：挑戰黑洞攝影」系列貼文的最後一篇。下次有機會繼續為這個系列張貼新聞的時間，或許是當黑洞攝影有結果要向大家報告的2018年年初，屆時，期盼我們那狂野又引人入勝的銀河系中心，會傳來令人興奮的好消息。

超大質量黑洞攝影之挑戰

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