[비즈한국] 2019年，天文學家成功捕捉到了位於巨大橢圓星系M87中心的超大質量黑洞。這是透過“事件視界望遠鏡”（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）取得的成就，該專案動用了從北極到南極、遍佈全球的射電望遠鏡陣列。隨後，2022年，研究團隊又成功捕捉到了位於我們銀河系中心的“人馬座A*”（Sgr A*）黑洞。儘管銀河系中心的黑洞距離我們近得多，但觀測耗時更長，原因在於該區域恆星和塵埃雲的密度極高，視野被嚴重遮擋，導致拍攝難度更大。
或許有人會覺得，拍攝黑洞照片這件事本身就很荒謬。黑洞，“黑色的洞”這個名字本身不就是因為其引力太強，連光都無法逃脫而得名的嗎？既然沒有任何光線從中射出，到底是怎麼拍到黑洞照片的呢？
這話沒錯。事實上，嚴格來說，直接拍攝黑洞本身確實是不可能的。但我們完全可以看到光線從黑洞事件視界邊緣洩漏出來的樣子。黑洞憑藉極其強大的引力吸引著周圍的大量物質，這些物質在高速繞行黑洞時會被劇烈加熱併發出光芒。2019年和2022年觀測到的影象，正是這些光跡。
M87中心和銀河系中心的黑洞都呈現出標誌性的光環形態。正中央是一片漆黑的虛空。在這深淵之中，潛藏著宇宙最深邃的黑暗——事件視界。任何進入事件視界的東西都絕無逃脫可能。雖然黑洞本身是一個點，但天文學家在比較黑洞規模時，通常以事件視界的大小為準。遺憾的是，沒人知道事件視界內部發生了什麼。但我們可以看到光線沿著黑洞周圍極度扭曲的時空飛向我們而形成的“光環”。那個看起來像橙色甜甜圈的東西，正是人類所確認的黑洞陰影。
目前，事件視界望遠鏡觀測到的資料已公開，供任何人查閱。然而，最近一些重新分析這些歸檔資料的天文學家提出了一個有趣的問題：我們廣為人知的橙色甜甜圈狀黑洞影象，其實是錯誤的。他們主張，無法復現出事件視界望遠鏡團隊所展示的那種橙色甜甜圈影象。難道我們看到的黑洞“打卡照”真的錯了嗎？
事件視界望遠鏡所瞄準的這兩個黑洞，實際上在天空中看起來非常微小。銀河系中心的人馬座A*黑洞質量約為太陽的400萬倍，其事件視界大小僅約1.6億公里，相當於水星軌道的直徑！然而，這個黑洞距離地球足有2.7萬光年。從地球仰望，該黑洞事件視界的張角僅約0.00001度，小得就像一個點。簡單比喻的話，這就像是在月球那麼遠的地方去看一個微小的甜甜圈。M87中心黑洞的情況也類似。
要清晰地分辨出如此微小的天體，需要一臺巨大的望遠鏡，其口徑幾乎要達到地球的大小。當然，建造如此巨大的望遠鏡是不可能的。因此，天文學家選擇了將分佈在全球各地的射電望遠鏡觀測資料同步合併的方式。這種利用多臺射電望遠鏡觀測同一天體的技術被稱為“射電干涉測量法”。
不過，射電干涉測量法也有其天生侷限。最理想的方法是用射電望遠鏡覆蓋地球的每一寸土地，但這不可能。因此，巨大的射電干涉儀陣列之間會出現空白。這就像是無法將多塊鏡片拼成一面平整的鏡子，而是在中間留有空隙的情況下進行觀測。所以，天文學家利用人工智慧演算法來推測那些未覆蓋的空隙處可能呈現的影像，從而補全了黑洞的影象。
最近，以三好真（Makoto Miyoshi）為首的日本天文學家利用事件視界望遠鏡的觀測結果進行分析，試圖復現2022年公佈的銀河系中心黑洞影象。結果發現，他們無法復現出那張著名的橙色甜甜圈影象，取而代之的是一團單純的塊狀影象。因此，有人提出質疑：僅憑現有的事件視界望遠鏡觀測資料，根本無法清晰分辨出黑洞周圍的光環和事件視界。
他們提出的核心問題之一是：現有黑洞影象中呈現的光環大小，幾乎接近了事件視界望遠鏡的分辨極限。
在天文學中，來自光源的光擴散開來的樣子被稱為“點擴散函式（PSF）”。原本應該是一個點的光線，在經過望遠鏡處理後會呈現為四周圓潤模糊的樣子，這種形態稱為PSF。此次提出質疑的研究團隊認為，考慮到當時觀測所用望遠鏡的配置和效能，成像的模糊程度即PSF的極限，幾乎與照片中的光環相當。因此，他們主張我們看到的並非清晰的光環，而是一團模糊的汙漬。
他們特別指出，事件視界望遠鏡團隊在利用AI演算法重構影象的過程中產生了一種“偏差”。當時，事件視界望遠鏡團隊是基於理論實現的黑洞模型來重構觀測資料的。但最初設定的模型本身就是最理想狀態下的光環影象。因此，由於演算法是基於不符合實際觀測效能和侷限性的理想化光環影象進行訓練的，很有可能造就了實際上並未觀測到的虛假光環影象。
2022年6月，事件視界望遠鏡研究團隊首次就三好團隊的質疑釋出了官方回應。他們表示歡迎對觀測結果進行公開驗證，但指出三好團隊誤解了他們的觀測結果，不過並未給出詳細解釋。最終，三好團隊隨後發表論文，稱M87星系中心黑洞的影象分析也存在致命缺陷，認為其中的光環同樣是實際上並未觀測到的虛像，並要求事件視界望遠鏡團隊提供更詳細的反駁和依據。
在此後的幾個月裡，事件視界望遠鏡團隊保持沉默。直到最近的2024年10月29日，他們在官方部落格上釋出了一篇詳細文章，反駁了三好團隊的分析。
首先，事件視界研究團隊指出，三好團隊未充分考慮銀河系中心黑洞的變動性。銀河系中心黑洞的質量和規模遠小於M87中心黑洞，這意味著其周圍事件視界的尺寸更小，被黑洞捕獲的物質旋轉速度更快，周圍的光線波動也更劇烈，形狀不斷改變。事實上，銀河系中心人馬座A*黑洞周圍的光線據推測約10分鐘就會波動一次。事件視界團隊表示，他們考慮到了這種變動性，對隨時間變化的黑洞影象進行了逐幀重構。相比之下，三好團隊的分析未能充分考慮這種變動性。
此外，他們還展示了隨後的偏振觀測證據，證明了黑洞周圍光環的存在。事件視界望遠鏡團隊此前曾觀測到黑洞周圍的偏振光，並據此展示了周圍磁場如何扭曲的觀測證據。以此，他們對三好團隊的反駁進行了二次反駁。
然而，事件視界望遠鏡團隊似乎也退後了一步，表現得較為謹慎。在反駁三好研究團隊主張的同時，他們也承認了“確實存在其他不支援事件視界望遠鏡團隊解讀的外部分析”。實際上，現在不僅是三好研究團隊，一些獨立的科研團隊也提出了現有環狀黑洞影象可能是扭曲結果的可能性。這並不是說黑洞周圍不存在環狀事件視界，而是指出在目前的望遠鏡效能下，要看清環狀事件視界是不可能的，但因為在“必然是環狀”的預期下訓練了演算法，最終導致了“看到想看到的東西”的情況。
作為21世紀人類最偉大的科學成就之一，黑洞的拍攝，其歷史性照片竟可能是一張“錯誤的”照片！現在判斷誰對誰錯還為時尚早。但我們不應誤以為這次爭議意味著黑洞本身不存在。無論是支援橙色甜甜圈狀黑洞影象的一方，還是不支援的一方，沒人懷疑宇宙中存在黑洞這個怪物。爭議的焦點在於：我們拍到的那個怪物的肖像到底是什麼樣子的？我們過去了解的肖像是否準確？
最終，即便橙色甜甜圈狀的黑洞照片被判定為錯誤的結果，也不必感到失望。相反，事件視界望遠鏡團隊不隱瞞資料、公開供人檢驗的態度值得高度評價。這也是為了更精確地描繪黑洞形象的過程。橙色甜甜圈狀的黑洞照片會作為黑洞的最終認證照留存，還是會成為一段被誤解的扭曲歷史？在未來，天文學家們能否在紀念黑洞認證照的同時繼續“吃甜甜圈”呢？
目前，事件視界望遠鏡團隊正計劃投入更多望遠鏡，並同時規劃利用太空射電望遠鏡進行觀測，以更高的解析度對M87和銀河系中心黑洞進行額外觀測。進而，他們不僅滿足於靜態照片，還計劃嘗試像拍攝GIF動圖一樣，拍攝黑洞周圍光環實時波動的過程，捕捉物質的變動性。如果額外觀測得以進行，近期激烈的黑洞影象爭議將會得到解決。
參考
https://academic.oup.com/mnras/article/534/4/3237/7660988?login=false
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac6ddb
https://eventhorizontelescope.org/blog/imaging-reanalyses-eht-data
https://eventhorizontelescope.org/blog/response-independent-analysis-ehtc-imaging-sgr-miyoshi-et-al-2024
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓咪和宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙之美傳達給大眾。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用產生的演化，並進行演講、寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的觀測臺》、《整天想宇宙》、《星，光之科學》等書。