15/05/2022
2022.05.12 Milky Way's heart: Sagittarius A*
銀河系中心的超大質量黑洞 - 人馬座A*
還記得在2019年時的那張震撼了全世界的M87中心超大質量黑洞的影像嗎？當時世界各地的新聞頭條、網路資訊全都溢滿著這個驚天動地的成果，而如今我們又像當時一般再度的成為人類歷史的見證人，那麼這次的人馬座星系核 (Sgr A* )究竟和當初拍攝的M87星系核( M87* )差在哪呢？
▪M87* & Sgr A*
M87* 和我們相距5500萬光年，而 Sgr A* 由於位在銀河系中心，所以和地球的距離縮短到僅有27000光年，因此造成了 Sgr A* 在視覺上比 M87* 略大了一些，可實際上如果我們把他們放在相同的距離來看的話，M87* 要比 Sgr A*大得多。（換句話說，就是太陽和月亮的關係，地球上看起來幾乎一樣大，但如果擺在一起比較，可就是小巫見大巫了。）
▪Accretion disk 吸積盤
大家應該都知道黑洞其實是看不見的，中心的重力奇點向外延伸一倍的史瓦西半徑，即是我們所謂的「事件視界」，亦即訊息傳遞的邊界，一旦你越過了這個界線，你就只能不斷的向中心奇點墜入，最後撞碎在奇點成為黑洞的一部分。所以說黑洞要怎麼被發現呢？
以 M87* 和 Sgr A* 為例，我們觀察的並不是黑洞本身，我們觀察的其實是環繞在黑洞周圍的吸積盤（一群以近光速繞黑洞運行的物質相互摩擦，進而產生光與熱），而中央的陰影也並非是事件視界，而是吸積盤上的光投影在我們這個觀測方向的結果。所以簡單來說，決定我們看到黑洞圖像的重點就是「我們的視線方向和盤面方向的夾角」。
假使我們的視線方向和轉軸平行，則圖像就會看起來像是個亮度均勻的圓環；可若我們的視線方向和轉軸傾斜，則我們看到的圓環亮度將會是不均勻的，因為物質接近我們的方向會更亮，而物質遠離我們的方向會比較暗，這個現象稱為「相對論性射束(Relativistic beaming)」。在過去我們能夠判斷吸積盤盤面方向的方法就是透過黑洞的噴流，但可惜的是 Sgr A* 在這方面卻較為安定，直到現在藉由分析拍攝出的影像，我們才發現只有在我們視線方向和轉軸方向夾角30°以內時，理論模型才能夠和EHT得出的結果類似。
▪Sgr A* 的觀測困難之處
1. Sgr A* 周圍物質運轉較 M87* 更為快速
因為 Sgr A* 比 M87* 輕約1600倍，所以相對而言它的體積必定也更小，這就造就了物質在繞行兩者的時間有著明顯的差別（這就像是在跑操場的時候，外圈的人跑一圈比內圈的人跑一圈花得時間通常來說要更久）。M87* 的物質繞行一圈的時間可能需要幾天或幾週的時間，但 Sgr A* 的物質繞行一圈的時間卻只需幾分鐘或幾小時，而正因為這個特性使得拍攝 Sgr A* 的條件變得更加苛刻。（M87* 容易成像，因為它觀測起來更為穩定，這就像拍攝靜止的雕塑品和拍攝飛動的鳥兒一樣，晃動會增加拍攝的難度，而 Sgr A* 周圍的氣體又極其的躁動，可我們卻又能藉由分析這些複雜的氣體運動，來更深入了解黑洞如何和周圍環境交互作用。）
2. Sgr A* 被塵埃阻擋
由於 Sgr A* 位在銀河系中心，想當然爾地球和其之間也必定相隔了許多的塵埃，也就是我們在看到夏季銀河時的那些黝黑暗星雲，這些塵埃會使得 Sgr A* 的影像變得模糊，讓觀測工作變得更加艱難，但觀測 M87* 就沒有這種困擾，因為我們觀察它的方向沒有和 M87 星系的盤面平行，所以不會受到其干擾。為了解決這個難題，EHT團隊建立了一個模型來修正，因受到塵埃影響而模糊的影像。
▪影像最終的成形
因為上述的這些困境，使得影像的計算分析工作變得十分龐大，也正因為如此才讓 Sgr A* 的真面目耗費了五年直到現今才呈現在世人眼前。因為 Sgr A* 周圍亮環快速變換的特性，以及十分有限的數據量，所以讓影像最後的成形帶有了一些不確定性，而根據類似的特徵主要能分為四種，其中不是環形的圖像占數據中偏少（所以猜測這種非環形成像是因快速變換的亮環導致的，而不是黑洞本身擁有的特徵），最後將這些由各種算法得出的上千張圖像平均來產出我們最終的結果。
正如 José L. Gómez 說的：「Sgr A* 的圖像是至今為止最嚴格分析、判斷的干涉圖像。 (The image of Sagittarius A* now holds the record of the most thoroughly vetted interferometric image that has ever been made.)」
▪後記
「自我的渺小是因為見證過偉大後的體悟。」為什麼喜歡天文？有一部分就是臣服於它的浩瀚與無際，探而未探的深邃、望而未望的沉寂，宇宙的邊界讓人癡迷。多讓我知道一些吧！多讓我觸及一點吧！儘管我永遠都無法了解你的所有，正如高山、大海無法全然去走，但我只想努力去經歷、努力去多認識一點，僅此而已。
參考資料：European Southern Observatory, Event Horizon Telescope, Academia Sinica
文案：教學 廖若提
