看見黑洞的幕後英雄

科學家愛因斯坦推測，在宇宙中有一個「質量極大、體積極小，形成強大引力」的存在，全球科學家為了解開這道謎題，形成各門理論學派，推測宇宙中超強引力的模樣。

宇宙中任何物質，甚至連光線，都無法逃脫黑洞的引力。黑洞最外圍稱為「事件視界（Event Horizon）」，是引力對物質產生影響的極限範圍。美國科學家夏普多勒曼（Sheperd Doeleman）號召全球科學家成立「事件視界望遠鏡（EHT）團隊」，透過望遠鏡觀測黑洞，解析影像。隨著科技進步，直到2017年，天文科學家利用望遠鏡觀測M87星系，2019年解析出中心的黑洞影像，才證實了愛因斯坦的看法。

事件視界望遠鏡（EHT）分布圖，有台灣圖示者是由台灣參與建造、運轉。

事件視界望遠鏡

2019年中研院與布魯塞爾、聖地牙哥、上海、東京和華盛頓特區等地同步舉行記者會，發布人類史上第一張黑洞觀測照片。過去，科學家已經模擬過許多黑洞影像，直到「事件視界望遠鏡」透過微波觀測，才真正看見5,500萬光年外M87星系中的黑洞。

全球共有11座「事件視界望遠鏡」，透過微波觀測M87星系與銀河系中心的黑洞。分布全球各地的望遠鏡，形成一個直徑與地球同樣大的鏡片，提升成像解析度。這項全球工程中，台灣團隊參與製造、運轉四座望遠鏡，包含在夏威夷的次毫米波陣列望遠鏡（SMA）和馬克斯威次毫米波望遠鏡（JCMT）、智利的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列計畫（ALMA），以及位於北極的格陵蘭望遠鏡（GLT）。

天文觀測環境必須乾燥、水氣少，因此會建立在高山上。夏威夷的SMA是由中研院與美國史密松天文台合作，建造於當地4,000公尺上的高山毛納基亞。這次機會是中研院天文及天文物理研究所（簡稱中研院天文所）正式成立前，向國際證明台灣也具備宇宙觀測能力的重要時刻。SMA共有八座，台灣負責建造兩座。當中研院四處尋找製作支撐碟面的碳纖維複合材料，卻在德國廠商那獲得建議，台灣本身就有技術嫻熟的相關廠商。

中研院天文所夏威夷運轉副所長陳明堂回憶，團隊後來接洽了國家中山科學研究院航空研究所（簡稱中科院航空所）及漢翔航空工業，開啟雙方合作的契機。中科院製作碳纖維的流程分工專業，而且以航空製程的高規格製作，除了常使用在航空與國防武器，也用於運動休閒器材，如：高爾夫球桿、網球拍、羽球拍，以及遊艇、汽車。中科院航空所的結構與材料系統組副研究員陳育德表示：「中科院研發碳纖維，會將技術轉移給廠商，如上游的台塑，其產量是全球第四。」

陳明堂回憶，台灣執行夏威夷SMA計畫時，原本使用他國製作的碳纖維管，因無法承受高山乾燥的氣候而產生裂隙，後來全部改為台灣製的碳纖維管，從此可見台灣材料製造的實力。

夏威夷的次毫米波陣列望遠鏡（SMA）。

台灣的ALMA實驗室

智利ALMA計畫主要由美國國家電波天文台、歐洲南方天文台與日本國家自然科學機構共同參與。台灣後來加入北美與日本的團隊，並負責在台灣建立「東亞接收機前段整合測試中心」，整合並測試ALMA的接收機系統。

談起整合中心建立緣起，參與的中科院工程師黃基典表示，日本負責的天線完工後，因為要等待五年，才能使用北美和歐洲的實驗室進行測試，於是與日本合作的中研院便爭取在台灣建立同規格的實驗室，在航空所所長齊立平與黃基典到美國實驗室學習後建立。

黃基典表示各國的次系統送到ALMA實驗室後，經過測試、組裝成系統後，就會裝箱送往智利，再由當地人員安裝至望遠鏡內，這個步驟看似平凡，卻需要許多精密的技術，因此全球只有三處擁有接收機前段整合測試中心，分別是美國、英國與台灣。

中科院航空所提供精密的技術，協助中研院建造天文望遠鏡與其他儀器。（林旻萱攝）

邁向地球最北──格陵蘭

台灣在建造與運作望遠鏡方面，已經累積豐富經驗與技術，在黑洞觀測方面，中研院天文所院士賀曾樸邀請日本電波天文學家井上允加入團隊，於是，2009年井上允帶著天文博士淺田圭一加入天文所，開始VLBI（特長基線干涉）觀測計畫，意指將分佈世界各地的望遠鏡模擬成一座巨大望遠鏡，各地望遠鏡同時偵測宇宙中某一訊號後，再將訊號傳遞到超級電腦，分析訊號轉換成影像。

2010年美國國科會向ALMA計畫成員徵求「北美阿爾瑪原型機」的使用構想，因為這座位在沙漠地區新墨西哥州的望遠鏡已經閒置多年。中研院天文所希望獲得操作這座原型機的機會，增加天文觀測的主導權，於是在淺田圭一的帶領下，團隊開始尋找適合建置望遠鏡的地點：氣候乾燥、地理位置高、能與夏威夷的SMA與智利的ALMA組成陣列。最後團隊選擇在地球最北端──格陵蘭。

格陵蘭望遠鏡建造計畫負責人陳明堂回憶，當國外的科學家聽到這項計畫，都認為台灣團隊「很瘋狂」，但藉著中研院與中科院合作，以及各國技師的協助，最終完成這項「不可能的任務」。

參與的中科院工程師夏協鵬回憶，到格陵蘭工作，就是一種冒險：「飛機遇到北極的強風，從窗戶往外看，差一公尺就碰到冰面了。」更挑戰的是要在寒風中，爬上三、四層樓高的望遠鏡安裝設備，「高的地方更冷！工作一陣子，就要將手插進口袋取暖。」在資源缺乏的環境中，台灣工程師總是要就地取材修正設備，展現臨機應變的能力。

格陵蘭望遠鏡的維修工作由中研院天文所的工程師負責，過去幾年因為疫情延後維修，但望遠鏡的冷凍頭再不換，將影響觀測黑洞的品質，於是工程師張書豪在永夜的冬天抵達格陵蘭工作。他回憶在當地工作時，大家都彼此幫忙，在地的丹麥團隊會「無中生有」一些器材，協助台灣團隊解決材料不足的困境。

在觀測方面，中研院現在可以遠端控制，研究技師黃祤杰說明，每年最佳觀測時間是四月，在全球聯合觀測前，團隊會先事前演練，確保過程順利。兩地的團隊也可輪班工作，直到20天的聯合觀測結束。

格陵蘭望遠鏡原為北美阿爾瑪原型機，台灣團隊將其從美國新墨西哥州搬運到格陵蘭並改裝。

下一張黑洞畫面

淺田圭一表示，團隊最近在處理2018年蒐集到的數據，也就是格陵蘭望遠鏡加入後的成果。先前兩張黑洞照片：M87星系與人馬座A星，影像較為模糊，但是，格陵蘭望遠鏡加入觀測後，解析度將大幅提升，人類將看見更清楚的黑洞。

「人馬座A星花了我們很多時間，所以現在才在處理2018年觀測到M87的資料。」支援科學家黃智威提起這段奮鬥的過程，他指著淺田圭一笑說：「人馬座A星變化很快，難搞到他說再也不想碰了。」而一旁的淺田圭一也笑著回應：「Nightmare（夢魘）!」

陳明堂在他的著作《黑洞捕手》最終章提到：黑洞在當下或許看不到任何用處，但是它的存在再次驗證愛因斯坦的廣義相對論，在宇宙的極端狀況下依然正確。在人類知識的拼圖中，填補了重要的一塊。

而台灣也在這些計畫中不斷展現天文領域的能力。航空所所長齊立平分享，中研院交給中科院製作的案子，在國際上都是相當創新的計畫，團隊常常要自行摸索寫出作業程序，最後交出的成果也常獲得國際肯定，並邀請台灣團隊協助。像是在ALMA計畫後期，歐洲的ALMA前端系統整合中心工作進度落後，於是請台灣協助，中科院即另開一條生產線，支援歐洲完成二成產量。

工程師黃基典也分享，過去台灣團隊需要向美國學習技術，但是後來在開發ALMA的第一頻段接收機時（用來觀測行星形成），是由中研院與中科院自行研發製造。兩年前接收機送到智利安裝後，美國科學家看了運轉報告，向台灣說：「你們畢業了！」台灣的天文研發製造能力，已經是國際級水準。

天文觀測的團隊，就像是聯合國。台灣過去20年來，逐漸找到自己的位置，也建立與各國合作的模式。無論在夏威夷的高山、智利的高原或格陵蘭的冰原，大家的目標都相同，不是競爭，而是攜手解開宇宙之謎。

中研院天文所副研究員淺田圭一（右）、支援科學家黃智威博士（左）遠端操作格陵蘭望遠鏡。（林旻萱攝）

史上第二張黑洞照片：銀河系中心黑洞人馬座A星。（EHT Collaboration提供）