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凝視虛無:我們見證人類史上第一張黑洞「相片」,但究竟我們在看什麽?

這「相片」用了全球頂尖天文學家加上超級電腦近兩年時間運算出來,絕對可稱得上史上最費時費工的相片之一。


事件視界望遠鏡的天文團隊取得人類史上第一張黑洞的「相片」。巨型黑洞位於離地球5500萬光年遠的M87星系,圖中的光圈展示出光綫因黑洞的重力而扭曲,這又稱為引力透镜效應。 圖:National Science Foundation via Getty Images
事件視界望遠鏡的天文團隊取得人類史上第一張黑洞的「相片」。巨型黑洞位於離地球5500萬光年遠的M87星系,圖中的光圈展示出光綫因黑洞的重力而扭曲,這又稱為引力透镜效應。 圖:National Science Foundation via Getty Images

1609年冬,時值文藝復興,伽利略攀上聖喬治馬焦雷教堂的鐘樓,用他自製的望遠鏡凝望高掛夜空的月亮。伽利略不但愛好天文,也對藝術有深入理解。經過幾個月的仔細觀察,擅於明暗對照法(Chiaroscuro)的他繪製出人類史上首批月球的雕板圖像。他的雕板勾勒出月球的光陰對比,紀錄了月的陰晴圓缺。更重要的是他的著作《星際信使》消除了前人對月球的誤解。

在伽利略的時代,大眾普遍認為月球上的陰影,是月球本身顏色不均勻所造成,就如皮膚上的雀斑。但伽利略的圖像顯示月亮表面凹凸不平,而陰影就是太陽照射月球表面的結果。自此,一名科學家在高處透過望遠鏡觀測夜空的畫面,成為了大眾對天文學家的刻板印象。

天文觀測的影像不斷演變。左為美國太空總署無人太空船伽利略號探測器1992年拍下的月球照片;右為伽利略十五世紀手繪的月面圖是人類史上首張月球的科學影像。
天文觀測的影像不斷演變。左為美國太空總署無人太空船伽利略號探測器1992年拍下的月球照片;右為伽利略十五世紀手繪的月面圖是人類史上首張月球的科學影像。

伽利略的月球表面圖革新了天文,除了是因為他豐富的天文科學知識,也多得他對明暗對照的認知。文藝復興時期的畫家對透視和明暗對照的研究,對伽利略觀測月球以及後來得出月球表面凹凸不平的結論,兩者有否有直接關連?實在無從稽考,但明暗對照這種技法的確賦予伽利略從平面中展現出月球立體地型的能力,而大眾也因為這種技巧的普及,能從平面中拆解出立體的圖像。

這種對圖像的認知是雙向的。透視和明暗對照就如一種語法,又或是一種語感(Sprachgefühl),我們需要一種對圖像的基本認知,去分析出蘊含圖像之中的信息。對圖像本質的認知直接影響我們對世界的認知,這也是為什麽我執着於這張黑洞「相片」的本質。失去了這種語法,無論所看到的影像多麽先進,我們也無法從中抽取資訊,情況就如以中世紀的眼晴去看文藝復興的畫作。

40年前,天文學家Jean-Pierre Luminet早於1979年利用IBM打孔卡式電腦運算出人類首張黑洞模擬圖。

40年前,天文學家Jean-Pierre Luminet早於1979年利用IBM打孔卡式電腦運算出人類首張黑洞模擬圖。

隨便在網上搜一搜「黑洞」,圖像之多,可能早已令人對黑洞影像產生冷感,而對人類史上第一張黑洞「相片」不以為然。從技術層面上來講,至今無論是太空總署還是天文網站所發佈的黑洞「圖片」全部都不是「真」的。它們不是電腦繪圖,就是電腦模擬器所運算出來的圖像。事實上,為這個黑洞影像配上一個名詞更是一個難題,因為為其下定義就必然引發出一連串本體論的問題。

首先,我們即將看到的並不是一張照片,至少它不是大眾文化中所認知的照片。黑洞之所以稱為黑洞,是因為進入了事件視界(Event Horizon)的事物無法逃出黑洞的重力,因此在視界外觀察視界內的任何事物,它們會從我們的視界中消失。其重力巨大到連光子也被吸進去,也就是說黑洞內是絕對的黑。沒有光,哪來照片?

題目中姑且用相片一詞,再加上引號,就是嘗試點出這張黑洞圖像與傳統相片的差異。這是因為筆者實在詞窮,找不到更好的中文詞彙。中文多用照片或相片來形容透過攝影技術產生的圖像,兩者在日常語境中幾乎同義。若是硬要分辨兩個詞語,我會這樣定義:「照片」比較具體直接,是透過一般相機按下快門所產生的影像,影像與鏡頭前肉眼所見的幾乎相同;而「相片」則較為抽象,是指與被攝對象有指示性(indexical)關係的圖像,它不一定由相機拍攝,它不一定看起來像被攝對象,但卻必須因為被攝對象的存在而產生的,例如:實物投影(Photogram/Rayogrphy)和多重曝光(Mutiple exposure)。「相片」鎖住了被攝對象的「相」,我們或者可以借用英文的「photographic」(攝影性的)來形容相片。

兩個特大質量黑洞相互螺旋的模擬片段。

兩個特大質量黑洞相互螺旋的模擬片段。圖:NASA

第一張黑洞「相片」是電腦運算出來的。2017年4月4日,由眾多國際天文團隊組成的事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)「拍下」位於M87星系特大質量黑洞的圖像數據。芬蘭Metsähovi射電望遠鏡台長Joni Tammi解釋,最大的挑戰不是收集數據本身,而是研發出電腦程序加以分析得來的數據,再運算出一個視覺影像,成為一張「相片」。最終這張「相片」用了全球頂尖天文學家加上超級電腦花了近兩年時間運算出來。「曝光」時間雖然不及Michael Wesely的長曝作品長,但絕對可稱得上史上最費時費工的相片之一。

跟我們想像中的天文學家形象不同,他們不再目測銀河,而是談「波頻」和「數據」。不知不覺間,天文望遠鏡不斷進化。十九世紀發明的巨形反射望遠鏡改善了聚光,讓天文學家可以看得更遠。及後,射電望遠鏡的出現為天文帶來革新。利用無線電波,望遠鏡超越可視光的限制。無線電波能夠穿透大氣層及宇宙中的星塵,窺探離地球更遠的星體。

因為技術發展日新月異,不斷繼續向其他的電波波頻發展,天文影像也超越了視覺的限制。所以與其說天文影像是「相片」,其實它更像是一幅數據圖。網上常見色彩斑斕的銀河圖片多數都是根據不同濾鏡所收集得來的數據,再後製上色而成的。Tammi告訴我,在射電望遠鏡天文台的同事之間他們大多都以「聆聽銀河」而不是「觀察銀河」來形容自己的工作。

以不同頻率的電磁波眺望天際會看到截然不同的風景,一個肉眼看不見的真相。圖為以普通光波(左上)、中頻紅外線(右上)、X-ray(左下)及電波(右下)觀察的半人馬座。

以不同頻率的電磁波眺望天際會看到截然不同的風景,一個肉眼看不見的真相。圖為以普通光波(左上)、中頻紅外線(右上)、X-ray(左下)及電波(右下)觀察的半人馬座。

Tammi比喻射電望遠鏡是一個「掃描器」。天線會收集一個指定範圍內來自宇宙的無線電波,天線逐一掃描,將所收集的信號強度轉換成影像中一個像素的光度。因此,用一個射電望遠鏡所得來的影像,是由多個在不同時間拍下,不同光度「像素」所組成的影像。可想而知,單單一枝射電望遠鏡並不能捕捉運轉中的星體,所「拍下」的天文影像用途有限。不過,只要將多個射電望遠鏡同步化,同時運算來自位於世界不同地點的望遠鏡所收集得來的數據,科學家就可得出一幅高清的圖像。這種技術被稱為極長基線干涉量測術(Very-long-baseline interferometry),也是事件視界望遠鏡成像的理論基礎。

科學家同步化分佈全球各地的八個射電望遠鏡,同時收集來自特大質量黑洞的電波。利用極長基線干涉量測技術,精確地將同一時間錄得的訊號「重疊」,放大所接收的電波,清除多餘的雜訊,以取得足夠的解析度拍攝黑洞,情況就如以地球直徑般大小的巨型虛擬望遠鏡凝視星河之外的黑洞。一個射電望遠鏡每秒收集約幾GB的數據,在2017年完成「拍攝」之後,將來自各個望遠鏡存有龐大數據的硬碟,以飛機運送再集合,單是回收南極射電望遠鏡站的數據就花了六個月。Tammi表示由於這次所收集的電波頻率比一貫要高,科學家團隊需要發展出一套新的方程式來運算所收集的數據。經過兩年時間收集、運算和核對數據,我們好不容易才得出眼前這張黑洞影像。

由位於智利的ALMA天文中心到M87星系的巨型黑洞。取自歐州南方天文台YouTube頻道

由位於智利的ALMA天文中心到M87星系的巨型黑洞。取自歐州南方天文台YouTube頻道

不知道本文發佈的時候,你是否已經看過人類史上第一張黑洞「相片」。看到那個瞬間,能否感受到眼前影像的不思議,又或啟發你對黑洞的好奇心。但無論如何,宇宙之大,人類竟可「拍下」一張離地球5500萬光年遠一個巨形黑洞的相片。這在我看來,無論你是用哪一種眼睛觀看,都是一個奇蹟。

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