黑洞捕手：台灣參與史上第一張黑洞照片的故事

推薦序　孫維新
作者序　陳明堂
關於黑洞攝影，你可能想知道……
第1章　浩瀚星空
第2章　踏入天文界
第3章　召兵買馬
第4章　地球和宇宙的連接點
第5章　槍聲響起
第6章　原型機風波
第7章　拆解原型機
第8章　原地踏步
第9章　急起直追
第10章　極北之地
第11章　最後衝刺
第12章　第一道光
第13章　黑洞現形
結語　未讀千卷書，已走萬里路
致謝
附錄
圖片來源
中英對照表

推薦序

在世界盡頭遠眺黑洞的美麗剪影

　　黑洞，常出現在科幻小說和報章雜誌中，對一般人而言，黑洞既古怪又神祕，好像是一隻隱藏在宇宙黑暗角落的巨獸，偶爾會探出頭來，吞噬不小心走得太近的恆星。但對天文工作者來說，黑洞早就已經是一種平常的天體，只是因為它的重力場太強，把自身內部的時空扭曲得太厲害，所以連光線都跑出不來，離得遠遠的人只知道夜空某處有個看不見的「緻密天體」，個子雖小、重力場卻強，沒有東西能出得來，這就好像1756年英法爭奪印度半島殖民利益的時候，法國人在孟加拉設置一間極小的監獄，關押英國人犯，稱做「加爾各答黑洞」，因為進去的人都沒再出來！這個惡名昭彰的歷史事件卻讓天文學家得到靈感，從此以後這種天體就以「黑洞」為名。

　　我在加州大學洛杉磯分校（UCLA）念研究所的時候，博士論文研究的是「類星體」，這種天體看起來像是正常恆星，但其實是遙遠星系核心的巨大黑洞，正在大口吞吃周遭物質，使得核心異常明亮，遠看就像顆恆星。當物質落向黑洞的時候，會在它周遭形成一個旋轉的圓盤，稱做「吸積盤」，愈接近黑洞的地方溫度愈高亮度愈強。這個理論模型當時已成主流，但是從來沒有人真正看到過遙遠星系的明亮核心到底是不是這麼回事。我還記得有回和指導教授在加州大學天文台做觀測，晚飯吃完教授擲叉而嘆，說半輩子研究類星體中央的「黑洞吸積盤」，只希望有天能搭上太空船，飛到星系核心近旁去看上個幾秒鐘，弄清楚自己做的研究是對是錯，就於願已足！我心裡想著要去你去，那地方高能輻射太強，知命者不立於巖牆之下，我可不想參加這種「朝聞道，夕死可矣」的極限觀光團！沒想到時隔三十年，事件視界望遠鏡（EHT）計畫的一群天文學家，還真的讓我們看到了遙遠星系中央的實況畫面，而他們並不用離開地球！

　　2019年4月10日，連台灣一起，國際上總共有六個地方，在台灣時間晚上九點鐘舉行聯合記者會，發布了人類有史以來第一次直接觀測星系核心「黑洞吸積盤」的圖像！這個在2017年的觀測，經過了兩年的數據處理，終於驗證了百年前愛老廣義相對論的預測，這個發現是如此的震撼人心，注定會成為本世紀中數一數二的科學成果！而台灣有幸廁身於發現者團隊之中，讓我們同感光榮！

　　M87橢圓星系雖然離我們有5,500萬光年之遙，但它核心黑洞的質量可不容小覷，推估應該高達65億個太陽質量！但為何要看到這個聽來巨大的黑洞如此之難？就因為黑洞質量雖大，但是密度極高，所以體積很小，就像是在學校操場中央擺上一顆塗黑了的小乒乓球，周遭有個巨大圓盤環繞，圓盤上鑲了一萬顆一百瓦的電燈泡，當這些電燈泡同時點亮，您覺得我們可以從遠方看到中央那個「小黑球」嗎？唯一的辦法，就是大幅度的提高觀測的解析率，直取核心，看向星系中央，希望周邊明亮的吸積盤，能襯托出中央那個全黑的小球來！而提升解析率的方法，就是聯合世界各地的無線電波望遠鏡對M87作同步觀測，等同於創造一個直徑將近地球大小的大型碟面來！這是EHT計畫的最初想定，但要建立這樣巨大的聯合系統，必須要有好些科學家和工程師上山下海，去拓寬地球視野，解析星系中心！台灣團隊從計畫初期就加入了這個合作之中，在儀器的製作和調校測試上，有極為關鍵的良好表現，團隊中的靈魂人物之一，就是陳明堂博士！

　　九零年代初，陳博士在中研院天文所重新設所的草創時期，就加入了天文所的儀器團隊，後來因緣際會，在賀曾樸院士的帶領下，成為次毫米波觀測設備的主要建造和組裝測試工程師，從夏威夷的次毫米波陣列（SMA），到智利的阿爾瑪陣列（ALMA），再到北極圈裡的格陵蘭望遠鏡（GLT），陳博士無役不與，從風光明媚的夏威夷，到世界盡頭天寒地凍的北極圈，陳博士科學探險之路跌宕起伏，扣人心弦，而今他能在公餘之暇將這些精采過程寫成《黑洞捕手》一書，對喜愛天文醉心宇宙的讀者而言，確是一大福音！

　　在書中陳博士從他街頭小子狂放少年的日子談起，成長過程中花了不少時間研究撞球的物理現象，直到大學才真正開始認識科學，走上了後來工程師的旅人生涯！整本書雖然講得是他的成長經驗，但同時也敘述了中研院天文所的發展歷程，和世界上無線電天文學的尖端進展，內容豐富，逸趣橫生，讀來不忍釋手。

　　在此要恭喜陳博士明堂兄，除了科學家和工程師的身分之外，中年華麗轉身，又成了幽默善感的文青作家！希望格陵蘭望遠鏡能早日投身聯合觀測，為台灣在世界科學的舞台上再添異彩，也希望陳博士能持續寫作，以精采的科學探索激勵有志天文的年輕一代，讓更多人走入自然、望向宇宙！
作者序

榮耀下的遺憾

　　2019年4月10日，大批新聞媒體湧進中央研究院活動中心，準備見證一件世界科學大事。就在這一天晚上，中央研究院與全球的科學家共同發布人類史上第一張「超大質量黑洞陰影」的影像，這場世界同步發表會的焦點，就是後來被通稱為「黑洞影像」的圖片。

　　發表會當下，中央研究院院長廖俊智說：「這張人類史上第一張超大質量黑洞的影像，是科學上一個空前的成就。」這消息一公布，蔡英文總統立刻在直播線上振奮留言：「人類首次！」隨後又再度留言：「全人類的一大步，很高興台灣參與在其中！」

　　這張照片是由一個長達數年、橫跨國際的大計畫——「事件視界望遠鏡」（EHT）所拍攝。EHT使用了世界上所有能夠運作的「次毫米波」觀測站，模擬出一座跟地球直徑一樣大的望遠鏡，專門用來研究宇宙中像黑洞這樣的緻密物體。目前EHT有超過兩百位來自世界各地的科學家，過去幾年來的心血結晶就是這張「黑暗中的光環」。

　　「黑暗中的光環」看似簡單，其實有三層意義。首先，它是「黑洞是否存在」的第一個直接視覺證據。其二，它確認了愛因斯坦百年前廣義相對論的預言。其三，這個突破性的成果是台灣的學界與工業界，結合世界一流科學團隊的成果。如果人類的知識是一幅巨大的拼圖，那麼這張黑洞影像，就是遺失百年的重要圖塊。如今，台灣與世界聯手，一起填補了拼圖中的關鍵空白。

　　中央研究院天文及天文物理研究所（簡稱「中研院天文所」）參與了2017年的EHT觀測活動，經歷資料處理、分析、成像，再經由嚴謹的科學論證，終於在2019年，與EHT的成員一同提出黑洞存在的第一個視覺證據。

　　2017年參與EHT的八座望遠鏡中，台灣參與建造或是運作的一共有三座，再加上貢獻運作經費與觀測人力，讓台灣團隊占有顯著的地位。這也是為什麼總共十三席的EHT董事成員，台灣中研院就占了兩席。

　　台灣的天文研究規模跟科技大國比起來，算是相對小型。但自中研院天文所創所時，即以相對年輕的電波天文學做為主要研究方向，無論是星球的形成、宇宙論、甚至黑洞天體，都有非常重要的科學題目可以讓學者一展身手。

　　中研院天文所從吳大猷院長任內創立籌備處，在過去近三十年來受到幾位深具遠見的主事者的支持與鼓勵，例如李遠哲院長任內決定發展「次毫米波陣列」和支持「宇宙背景輻射陣列」、翁啟惠院長任內加入「阿爾瑪計畫」，乃至廖俊智院長，無不深耕易耨，注入珍貴的研究資源。另外，國家中山科學研究院在天文所創所初期，即成為儀器發展的重要夥伴，與天文所各任所長一同努力，在天文領域播種。而且，台灣有著強大的工業（半導體與電子業）能力基礎，能從事科學儀器的創新，讓中研院天文所可以參與世界上最尖端的天文儀器建造，置身於天文研究的最前端。

　　靠著這些前輩對台灣基礎科學的支持，還有許多非常優秀的科學家、工程師們的奮鬥，中研院天文所不但在台灣搭起一座世界性的科研舞台，也讓台灣以及世界各地，具有天分的年輕學子們能發揮所長，為人類知識做出最佳貢獻。正是因為前人闢出一片沃土，台灣研究黑洞的團隊才有機會，在這個晚上開出迷人的花朵。

　　不過，在熱鬧非凡的氣氛中，我其實帶有一絲遺憾。近十年來我們團隊一手主導的格陵蘭望遠鏡以參與EHT觀測、擷取首張黑洞影像為目標，終於在2018年加入EHT。可是首張黑洞影像的資料來自2017年的數據，並不包含格陵蘭望遠鏡的觀測資料。終究，我們還是慢了一步。

　　事實上，格陵蘭望遠鏡加入EHT的資料正在處理中。我們團隊期待格陵蘭望遠鏡的加入，能夠透露出隱藏在陰影下的細節，能讓天文學們破解出黑洞陰影下的祕密。如此的結果將會大大的提升台灣天文學家在黑洞研究的地位，讓台灣獨特的貢獻受到世人的重視。

　　雖然格陵蘭望遠鏡沒趕上第一張黑洞影像的列車，但是我們團隊的工作顯現出，台灣的學界與工業界可以站在世界科學研究的第一線，與一流的科學團隊共同主導研究方向，這樣的成就仍值得自豪。我自覺非常的幸運，能夠在工作生涯中，找到一群志同道合的夥伴，參與了一段台灣非凡的創新年代，心中只有感激。

　　在1995年，我從本行凝態物理轉進天文研究的領域，開始參與台灣的天文儀器發展，見識到天文所創所先輩們從零開始的序幕，他們招兵買馬、訪賢任能，組織起一群優秀的國際團隊，到世界各地開疆闢土。隨後，我自己也成為舞台上的眾多演員之一，經歷台灣在國際之間合縱連橫，爭取最佳位置的故事。

　　在這些故事裡，我們的足跡從亞熱帶的台灣、到熱帶夏威夷火山的熔岩管（Lava Tube），然後穿越到智利安第斯山的鹽水湖，再跨越到北極因紐特人的冰原、鑽進格陵蘭的冰河。以往火裡來、冰裡去的歷練，讓我們在捕捉黑洞影像的任務中，扮演關鍵角色，更完成了格陵蘭望遠鏡這項被人稱為瘋狂的計畫。

　　在這段漫長的時空道路裡，一群由各國人士組成的科學工程團隊，因緣際會，聚集在這塊土地上，為台灣的科學界建立堅固的天文研究根基。我親身經歷過這段科學開創的驚奇旅程，深深的被這些前輩和同伴們所感動。為了讓這群為台灣科學舞台做出卓越貢獻的人物，能夠留下一點歷史的足跡，我僭越動筆寫下故事中一些個人的經歷與感想，還望這些前輩和同伴們不要見怪。

　　我寫這本書時，是以一般大眾為目標，一方面告訴台灣社會，我們很感謝各位支持台灣的科學研究，另一方面也想鼓勵那些對基礎科學研究有興趣的人，你們的耕耘總有一天會化為養分，帶動社會的進步。

　　書中的主要內容來自過去幾年我在台灣各處的科普講稿，當中參雜了許多我個人的主觀回憶與不太連貫的筆記紀錄；此外，為了提高年輕學子，或是不熟悉科學的讀者們的興趣，我在敘述上刻意避免使用艱深的科學和工程專業術語，不免使得一些科學現象的描述過於簡化，或是無意中有所偏頗。如果有爬梳不順或錯誤的地方，那實在是我個人的專業限制與學養不足，希望讀者們能不吝賜教，讓我有機會再次學習，進一步去除我個人認知的死角。

　　如果讀者對本書所講的一些有趣概念意猶未盡，那就是主動求知的時候了，這是現代人必須具備的能力。讓我們一同追求知識，拓展人類的智慧版圖，總有一天我們能從浩瀚的星空當中，找出萬物運行的真理。