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↑位於M87 中心的超大質量黑洞,推估質量有太陽的數十億倍。這是人類史上第一張直接觀測黑洞的天文影像,由事件視界望遠鏡拍攝,發表於2019年4月10日。

洞(Black hole),在4月天終於揭開面紗,2019年4月10日以微笑曲線首次和全球興奮期待的民眾見面。

人類「看見」黑洞了

這天,與以研究黑洞著名的傳奇科學家史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking,1942~2018)逝世日(2018年3月14日),相距滿週年又一個月。霍金永遠看不到這可愛的照片,但此時公布也算是向他致敬。2015年,霍金在哈佛大學演講提到:「黑洞是人類前往另一個平行宇宙的通道。」他大膽的假說,反映了終極的想望:探究這個心中最愛、幾乎花他一生研究的黑洞,是通往另一個美麗宇宙的路徑,但他卻補上一句:「我可不想跳進黑洞喔。」霍金此說,如同見到自己心愛的女生,只願遠觀、不敢親近,是敬畏凜然?還是怯以遺憾所致?身為科學研究者,我很好奇,是什麼原因讓霍金佇足不前?

我們有幸能看到人類史上第一遭的黑洞照片,要歸功於一群來自台灣、中國、美國、日本、智利、比利時的天文學者共同構思與努力;台灣在幾部跨國望遠鏡的建造上功不可沒。這照片不是拍立得卡嚓一聲立刻沖洗出來的真實圖像,它更像是團隊精心解析數據後,間接合成的「後製照片」;但它不是虛構,反倒深具科學巧思,是人類在竭盡所能下得到的最佳圖片,以反映黑洞的實際可能相貌。

黑洞是根據愛因斯坦廣義相對論推論,宇宙中存在一種質量相當大的天體或星體,由大質量恆星於核熔反應耗盡後,發生引力坍縮而形成。它的質量如此巨大,引力如此強烈,以致於周圍任何物質或輻射,甚至連運動速度極快的光子都遭它擄抓、無法逃逸;因為完全不反射光線,人們無法直接窺知,故名「黑洞」。

黑洞周圍也形成無法偵測的「事件視界」(Event horizon),是無法返回的臨界面,黑洞中心則有一個密度趨近於無限大的奇異點(Singularity)。由於黑洞不會輻射任何電磁波,尋找黑洞必須依賴間接觀測,只有靠著它的強大引力對於周遭繞行之恆星,或星際雲氣團軌跡、能量、輻射線,或重力場等干擾產生的「邊緣訊息」,逆推其存在訊息或特性,通常結果都是模糊影像或部分數據,無法全面驗證各種特徵。所以,過去有關黑洞的圖片都是科學家、科幻小說家、科幻電影製作人想像的示意圖,而非真實照片。

若要觀測較確切的黑洞影像,需要有解析度極高的巨大望遠鏡,但現代科技幾乎不可能製造出來,於是科學家想出變通辦法,集合散布世界各地的頂尖望遠鏡,運用超長基線干涉技術,同時觀測黑洞的某個方位,再將數據拼湊起來,這種陣列式多部遙距望遠鏡之綜合效果,仿效「口徑」如一個地球大的望遠鏡(中間雖然有空洞),便可盡其所能完成較逼近真實的黑洞照片。

↑黑洞示意圖

5500萬光年前

這次公布的影像顯示一個位於M87星系中心的黑洞,與地球相距5500萬光年,質量為太陽的65億倍。本黑洞命名為「寶偉喜」(暫譯Powehi),採自夏威夷語,意為「無窮創造的深美源頭」。照片中,寶偉喜結構宛如新月,中央是黑暗的,符合之前科學家預測的黑洞理論。黑洞本身是「黑」的,實際上看不到;但因為大黑洞在中間,強大引力使光線轉彎,形成光子流漩渦,造成左側比右側更亮,中間黑色部分是「陰影」。這些陰影和光亮形成黑洞周圍的混沌狀態,稱為「事件視界」(Event horizon),是天文學家嘗試要捕捉的黑洞影像。這種陣列式望遠鏡綜合體叫做「事件視界望遠鏡」(Event horizon telescope,簡稱EHT)。我們見到的,就是EHT解析出來的成品。……

信仰與黑洞之間

 
↑美國國家航空暨太空總署成立五十週年,霍金在紀念活動演講。
 

霍金不是天生的無神論者。罹患罕見疾病「肌肉萎縮性脊椎側索硬化症」(俗稱「漸凍人」,ALS)前期,第一任太太簡恩‧懷爾德(Jane Wilde)犧牲學位、悉心照顧他,讓他可以從事最愛的物理學研究,並完成科普暢銷書《時間簡史:從大爆炸到黑洞》。簡恩是虔誠的基督徒,她的愛心與耐心,感動霍金在書中對於大爆炸(Big Bang)理論,採取上帝創造宇宙的解說。該書獲得普世讚譽,名利隨之而來後,霍金變得驕橫、古怪、孩子氣、貪圖享樂、自我中心,簡恩因此得憂鬱症,甚至有自殺傾向。霍金的科學無法提升他的道德,更無法挽救婚姻,反倒背棄元配,在簡恩心裡最痛苦時,霍金宣稱愛上多年照顧他的年輕私人護士伊蓮(Elaine Mason),就此與簡恩仳離。

霍金經常與一群科學至上的朋友在一起,而且高傲地嘲諷簡恩的信仰,簡恩聽聞只是淡淡回應:「如果沒有對上帝的信仰,我不可能從那樣艱難的處境中熬過來,我不可能跟霍金結婚,因為我自己沒有樂觀的精神,更不可能保持那種精神。」她默默協助霍金,從無名的研究生變成「世界上最偉大的科學家」,最後卻遭到拋棄,只好黯然離去。

沒有簡恩堅強信仰陪伴,霍金在第二本暢銷書《大設計》裡隨之改道,宣稱「重力和量子理論讓宇宙自行無中生有。」「科學化的解釋即已完整,神學是不必要的。」他說,他是無神論者。霍金的變化無常不只表現在信仰上,也表現在一再更改、相互矛盾的黑洞解釋。科學研究常以今日的理論修正過去的看法,雖然無可厚非,甚至可以獲得誠實、勇氣的美名;但生活反覆無常,可能就不敢讓人恭維了。傳說,他受到第二任太太伊蓮家暴,身上傷痕累累,並有醫療檢驗為證,只是霍金始終礙於面子、矢口否認。我們同情他身軀受煎熬、婚姻生活不順遂,對於他在科學研究解說上反覆語不驚人死不休,或信仰上顛三倒四,也只能長喟深嘆。

看著人類第一張黑洞照片,縱然是合成的後製圖像,霍金卻無法在生前見到,他的宗教觀念也宣告,自己永遠不可能見到黑洞的真面目。但他未成名前在愛中生活,科學上謙卑研究,曾經有這信念──上帝創造宇宙;對比爾後,霍金想探究黑洞,卻又不敢跳入,何其矛盾啊。>>延伸閱讀〈黑洞,宇宙的通道?〉

……(文未完,請見2019年6月雜誌)