广义相对论是否经得起考验？黑洞的边缘具有超强重力效应，最适合用来验证，我们利用相当于地球大小的望远镜进行各种测试，而答案即将揭晓。
文章较长，列出大致摘要
●爱因斯坦的广义相对论已屹立不摇长达一个世纪，但从未在像黑洞边缘这样极强大的重力环境下进行测试。
●连结全球电波望远镜而组成的事件视界望远镜（EHT），将借由解析人马座A*这个银河系中心黑洞的事件视界，来进行这项测试工作。
●这些观测将探索人马座A*是否为黑洞，或是像“裸奇点”这种奇怪的天体。若它果真是个黑洞，则其行为是否符合广义相对论对黑洞的描述？
●如果EHT真的侦测到它偏离爱因斯坦的预期，那么接下来几年陆续上线的仪器，将能够独立检验那些结果。
100年以来，科学家一直想找到爱因斯坦广义相对论的漏洞，不过至今每一项检验都是在相当微弱的重力场中进行，因此爱因斯坦的理论总能轻易化解挑战。只有当我们把它摆到极强大的重力场中测试，才是广义相对论最严峻的考验。宇宙里重力场最强大的地点，位在黑洞的边缘，也就是事件视界，无论是光或物质，只要越过这个边缘，超强的重力便抓紧一切，再也无法脱逃。
虽然我们无法观测黑洞内部，但黑洞周围的重力场会使物质在靠近事件视界时，产生望远镜可观测到的巨量电磁辐射。在黑洞边缘，具毁灭性的重力会把流向黑洞的物质（称为吸积流）挤压到最小体积，导致坠入物质的温度升高到数十亿度，反而把黑洞边缘区域变成宇宙中最明亮耀眼的地方。
如果我们能用放大倍率大到足以分辨事件视界的望远镜来观测黑洞，就能追踪盘旋坠入黑洞的物质，并观察其行为是否符合广义相对论的预测。当然，这里有个难题：我们必须克服一些挑战，才有办法建构出可解析事件视界的望远镜。首先，从地球上看到的黑洞非常小，即使是目前认为大部份星系中心都拥有的超大质量黑洞，有的具有数百万到数十亿个太阳质量，有的直径甚至比太阳系还大，但都距地球太远，以致只能在天空上呈现极微小的视角。最靠近我们的黑洞是位在银河系中心、具有400万个太阳质量的天马座A*，它的事件视界看来只有50微角秒，相当于我们从地球看月球上的一片DVD光碟。要能够识别如此微小的天体，望远镜的角分辨率必须比哈伯太空望远镜所达到的解析度高2000倍以上。
此外，有两个现象会阻碍我们观测这种黑洞。首先，这些黑洞都位在星系的正中心，藏身于厚重的气体尘埃云之下，导致大部份的电磁波都遭遮蔽。其次，即使是我们想观测的发光目标──那个由压碎的物质、朝事件视界盘旋坠入而造成的闪亮漩涡，对大部份的光而言都是一片不透明的晦暗。因此，只有少数波长的光可逃离黑洞的边缘而被地球上的我们观测到。
事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）是为了克服这些障碍，并对黑洞进行详细观测的国际合作计划。为了从地球表面达到最高角分辨率，EHT运用了“特长基线干涉仪”（VLBI）的技术，天文学家从地球各地以电波天线同时观测相同的目标，并把数据收录在电脑里，再利用超级电脑把数据合并，转成单一影像。借此方式，坐落在不同大陆上的望远镜便可联手形成一座地球大小的虚拟望远镜。由于望远镜的解析度高低，取决于观测到的光波波长与望远镜大小的比例，因此VLBI能持续产生放大倍率远超过任何光学望远镜的详细电波天空影像。
只要改良使用在VLBI的技术，利用最短的无线电波来观测，EHT很快便能够满足黑洞造影的各项挑战。在这些波长下，银河系几乎是透明的，EHT得以在最轻微的气体污染下，清晰观测人马座A*。同样的波长也能穿透坠落黑洞的物质，让我们观测黑洞事件视界边缘最内侧的区域。在适度的巧合下，遍及全球的VLBI阵列在毫米波长的放大倍率，便足以解析最靠近我们的超大质量黑洞之事件视界。
与此同时，理论天文物理学家也已发展了数学模型与电脑模拟，可以探索这些观测所演绎出的各种可能结果，并开发诠释它们的工具。他们运用新颖的超级电脑演算法来模拟位于黑洞事件视界外缘的物质剧烈运动，并发现所有的模拟结果都指出，黑洞会投射一道阴影在吸积流放射出的光幕上。
美国华盛顿大学的物理学家巴丁（James Bardeen）在1973年预言了黑洞阴影的存在。依照定义，任何穿越事件视界的光永远不会再返回太空。巴丁认为光子在事件视界之外，将会绕着黑洞运行。若光朝内穿越此轨道，必然会被捕获而坠入事件视界。源自事件视界与此轨道之间的光可以逃离，但几乎必须全部沿着径向朝外，才能避免被黑洞重力捕获的危险，以致朝内折返事件视界。我们把这界限称为光子轨道。
对于光子来说，黑洞就像是个不透明的物体，而光子轨道就是黑洞的边界。光子轨道的明亮边缘与较幽暗内侧的对比反差，就是我们所称的阴影。地球上的观测者所看见的阴影大小，其实比光子轨道还大得多，原因是黑洞周围强大的重力场，借由重力透镜把阴影“放大”了。
现在EHT已经准备好要观测这道阴影与黑洞的其他特性。在2007年与2009年有一组观测瞄准人马座A*与另一个位于室女座A星系（又称为M87）中心的超大质量黑洞，已证实这套技术方法优良，而且可以达到精确的科学目标。这些早年的观测是利用美国夏威夷、亚利桑那州与加州的望远镜，并在1.3毫米波长范围内，成功测量到这两个黑洞发出的电磁辐射，所测得的黑洞阴影大小都符合预期。
若使用遍布全球的天线网络进行观测，产生的数据将足以让我们建构出这些黑洞的完整影像。另有一组同样重要的观测，将使用VLBI的数据来追踪局部活跃区（称为“热点”）环绕黑洞的轨迹。由于广义相对论同时预测了这些黑洞的样貌，以及物质如何绕着它们运行，因此这些观测将让我们以最一目了然的方式，对爱因斯坦的理论进行一连串的测试。
宇宙审查假说
EHT将能让我们回答一个基本问题：人马座A*是否是个黑洞？现有的证据全都把答案指向“是”，但从未有人直接观测到黑洞，而其他的可能性也都与广义相对论一致，例如，人马座A*可能是个“裸奇点”。
奇异点无法以方程式定出具有物理意义的解，在那里我们所理解的自然定律不再成立。广义相对论预言宇宙起始于一个奇异点──太始之初，宇宙中所有的物质皆汇集于密度无穷大的一个点上。该理论也告诉我们，在每个黑洞的中心都有一个重力强度变得无穷大而物质被无限压缩的奇异点。
在黑洞中，事件视界隐匿了奇异点，使它和宇宙隔离。不过，广义相对论并未要求所有的奇异点必须用事件视界给“包覆”起来。爱因斯坦方程式具有无限多个“露出”奇异点的解，其中有些解描述正常黑洞因自旋过快而“打开”了事件视界，显露出隐藏其中的奇异点；其他的解则描述不具备事件视界的黑洞。
裸奇点不像黑洞，仍只是理论猜想的产物：在真实世界里尚未有人提出可导致它们形成的方法。每个在天文物理上可行的恒星重力塌缩电脑模拟，都会形成带有事件视界的黑洞。的确，彭若斯（Roger Penrose）在1969年就引入宇宙审查假说（cosmic censorship hypothesis）：假设物理学必然能检验奇异点的裸露性，但事件视界总是掩盖它们。
1991年9月，加州理工学院的普瑞斯基尔（John Preskill）与索恩（Kip Thorne），和英国剑桥大学的物理学家霍金打赌：宇宙审查假说是错误的，而裸奇点确实存在。现在这个打赌仍未结束，就待有项实验能让他们分出胜负。证明人马座A*具有事件视界，并不能完全排除其他地方仍有裸奇点存在的可能性。但若能证实我们银河系中心的黑洞其实是个裸奇点，我们就能够直接观测到使现代物理学失效的现象。
找寻黑洞的毛
丧失宇宙审查，对广义相对论还不算致命打击，毕竟它的方程式就允许裸奇点的存在，但我们仍期盼EHT能够测试长久以来称做“无毛定理”的黑洞概念。如果无毛定理经证实有误，则至少广义相对论必须修正，因为数学证明并未给这个定理留下摇摆的余地。
这定理说任何被事件视界包覆的黑洞，可以只用质量、自旋与电荷这三项特性来完整描述。换言之，任意两黑洞若具有相同的质量、自旋与电荷，必然完全相同，就如同两个电子无法区分一样。该定理说黑洞没有“毛”，也就是没有几何的不规则性，或是其他可区分的特征。
当我们首度开始设想使用VLBI为黑洞造影时，我们认为可利用黑洞阴影的形状与大小得到黑洞自旋与方位的信息。但我们的模拟得到事先预料不到、而最终证实是令人高兴的一个意外。在模拟中，无论让黑洞以多快的速率自旋，也无论把假想的观测者摆在何处，黑洞阴影看来几乎总是个圆形，而且大小约等于事件视界半径的五倍。由于某种幸运的巧合（如果这是由某个更深刻的物理原因所造成，我们也还未发现它），无论我们如何改变我们模型里的参数，黑洞阴影的大小与形状实际上维持不变。这个巧合对目标为测试爱因斯坦理论的我们而言，是个大好消息，因为它只在广义相对论成立时才会发生。假如人马座A*具有事件视界，而且其阴影的大小或形状偏离我们的预期，那就违背了无毛定理，同时也违背了广义相对论。
追踪黑洞热点
EHT观测产生的数据将比造影所需的还多。EHT的天线将记录黑洞释出辐射的完整偏振信息，让我们能够绘制出事件视界附近的磁场分布图。这种分布图可帮助我们理解像M87这样从星系中心发出强大“喷流”背后的物理，这些能量异常充沛的物质粒子束以接近光速运动，并可延伸达数千光年的距离。天文物理学家认为，超大质量黑洞的事件视界附近的磁场是驱动喷流的能量来源，绘出磁场分布图或可帮助我们检验这项假说。
通过观察绕行黑洞的物质，我们还可学到其他事情。盘旋在黑洞周边的吸积流，被认为是高度紊乱且变化多端。电脑模拟常显示出在吸积流里有短暂的局部磁场活跃区，类似太阳表面由于磁场喷发而形成的“热点”，或可用来解释在人马座A*常见的亮度变化。这些热点会以接近光速绕行黑洞，并与位居其下的吸积流，共同在不到半小时的时间里完整绕行黑洞一圈。在某些状况下，当它们绕到黑洞背后时，会受重力透镜效应而形成几乎完整的爱因斯坦环，就像哈伯望远镜从遥远类星体处所侦测到受重力扭曲的光圈一样。在其他状况下，它们会在能量耗散殆尽前绕行黑洞好几圈。
热点可能会使造影程序变得更复杂，因为VLBI的技术把望远镜当做缩时摄影的照相机，在整个观测期间把虚拟快门打开，并利用地球的自转，尽可能从不同的角度来拍摄黑洞。假如吸积流里出现一个绕行黑洞的热点，将变得模糊不清，正如同曝光太久的相机拍摄到赛跑选手冲刺时的模糊图像一样。
不过，热点将使我们能够对广义相对论进行另一套完全不同的测试。EHT可利用一项名称花哨的“锁相变化性追踪术”来追踪热点的轨道。这方法需动用三座望远镜来观测热点所发出的光抵达的时间差，然后再利用三角测量推算出热点在天空中的位置。绕行中的热点会在望远镜搜集到的原始数据里产生可监别的特征，而就像爱因斯坦的方程式预测黑洞阴影的大小与形状一样，这些特征同时也揭露热点的轨迹，这是我们想得知的信息。这个热点模型或许有些简略，实际的情况则可能要复杂许多。即便如此，EHT的高精准度将能够监测吸积流盘绕黑洞时的内部结构，而那也提供了另一种方式来检验广义相对论的预测，看是否在接近黑洞边缘时还成立。
非凡的主张，需要非凡的证据
万一我们的观测结果与爱因斯坦的理论相抵触，该怎么办？套用天文学家萨根（Carl Sagan）的名言：“非凡的主张需要非凡的证据。”在科学界里，非凡的证据通常代表运用不同的独立方法，一次或多次去验证任何的主张。在接下来几年里，威力强大的光学与电波望远镜，和太空中的重力波侦测器都是检验工具，可监测位于超大质量黑洞周围的恒星与中子星（由大质量恒星重力塌缩后产生的微小但密度超高的天体）以及其他天体的轨道。
位于智利的欧洲南方天文台正在超大望远镜（VLT）上建造光学干涉仪GRAVITY，以及下一代的30米口径光学望远镜，都将追踪我们星系里以短距离（相当于只有黑洞半径数百倍的距离）靠近人马座A*事件视界的恒星轨道。这项观测一旦完成，目前在南非与澳洲建造的平方公里阵列（SKA）电波干涉仪，便开始监测绕行着同一个黑洞且高速自旋的中子星（称为波霎）的轨道。改良后的雷射干涉仪太空天线（eLISA）也将侦测源于小型致密天体，绕行邻近星系里超大质量黑洞时所发出的重力波。
由于黑洞无比强大的重力场，这些天体的椭圆轨道将会迅速移动（进动）；这效应非常明显，以致离黑洞最大距离的点仅需几个周期的时间便能画出一个完整的圆。同时，黑洞会拖着时空一起运动，导致位于那些时空范围内的天体轨道面也跟着进动。测量离黑洞不等距的天体轨道进动速率，将能够重建黑洞周围完整的三维时空，进而在极强重力的环境中，持续测试广义相对论。
这些仪器都将有助于决定爱因斯坦的广义相对论是否还可以再完好立足一个世纪，特别是黑洞的预言，或必须在科学进步的祭坛上壮烈牺牲。
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