2014年2月23日 星期日

DDS037-「黑洞(II)」

(承前文)下圖為去年八月底,科學家發表在「科學(Science 341, p.981-983; DOI: 10.1126/science.1240755 by Wang et al., 2013)」上,有關「Sagittarius A*」的最新圖像,其中左下圖,即是以離「Sagittarius A*」一光年遠的近距離圖像,其中包括數千個星體及其臨近的「氣雲(gas clouds)」,而右下圖描繪的則是環繞其周遭的具高磁性「等離子體(plasma)」,所熾射出來在不同光譜的射線(credit:左下圖:European Space Observatory/Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics/M. Scartmann; 右下圖:S. Noble)。此外,近來也有一個稱為 BlackHoleCam 的歐洲科學團隊,由歐盟科學委員會(the European Research Council)出資近二仟萬美元,利用一種「Very Long Baseline Interferometry (VLBI)」的最新觀測技術,針對我們太陽系的「Sagittarius A* 黑洞」及其「event horizon」,進行實體拍攝,希望能對「我們雖然知道它們的存在,但又無法看得見」的窘境有所突破,就讓我們拭目以待。


接下來,你可能也會好奇,雖然我們可以偵知「黑洞」的存在,但又如何能判定它的質量大小(例如上面說的「超大質量」)呢?首先,如前所述,你雖然看(see)不到「黑洞」,但你還是可以感受(feel)到它的存在,至少繞其運轉的星體,由於其巨大引力的牽引,可以感受它的存在。據此,科學家們利用「刻卜勒的行星運動定律(Kepler’s laws of planetary motion)」,藉由觀測該星體,繞轉該「黑洞」軌道的周期和其離中心的距離,即可計算該「黑洞」的質量大小。

一般言之,「黑洞」有大有小,其質量可從 10 個到 100 億個以上我們太陽的質量。對那些質量超巨大的黑洞,顧名思義,天文學上稱之為「超大質量黑洞(supermassive black hole)」,以我們所在的銀河系為例,依此法的推估,「Sagittarius A*」黑洞的質量約等同 410 萬個我們的太陽,它的直徑大概橫跨 6.2 個光年長(約 60 兆公里),大約為「天王星(Uranus)」繞行太陽軌道的直徑那麼大,也因為其質量是如此的巨大,我們才稱它為超大質量的「黑洞」。

事實上,不只是我們的銀河系,宇宙中每一個大的銀河系,都隱伏著一個超大質量的「黑洞」,它們的質量可等同於,百萬至百億個我們太陽的質量,例如,在最著名 Sombrero 銀河系中心的「黑洞」,依科學家推估,該「黑洞」目前的質量,約等同於 5 億個太陽,而去年 12 月間,科學家們也首度發現,離地球約 13 億光年遠處,在「PKS 0745-19 銀河聚落(the galaxy cluster;見下圖;creditNASA/STSci)」的中心,有一質量可能高達約 400 億個太陽質量的「黑洞」,也因此,科學家深信,宇宙間質量超過 100 億個我們太陽質量的「黑洞」的數目,絶對比我們想像中還多,對這些「黑洞」,天文學上歸類予所謂的「超特大質量黑洞(ultramassive black hole)」。


〔註:一般說來,「銀河聚落(galaxy cluster)」指的是在宇宙間,以「引力」為疆界,聚集了超過 50 個銀河系的範疇(最多可達近千個銀河系),而少於 50 個銀河系的,則稱之為「銀河族(galaxy group)」。「銀河族」的直徑大小可達 2 Mpc1 Mpc 大致等於 3,262,000 光年,即約 3.2 x 1019 公里),其總質量約為我們太陽質量的 1013 倍,其擴展的速度每秒可達 150 公里。相較之下,「銀河聚落」的大小可達 10 Mpc,其質量為1014 to 1015 個太陽的質量,其擴展速度更可高達每秒 800 1000 公里。例如,我們所在的銀河系(Milk Way),它是在一稱為 the Local Group 的「銀河族」(含約 40 個不同的銀河系)中,而位在「處女星座(Virgo constellation)」的「處女銀河聚落(Virgo cluster)」,含有 1,300 多個銀河系,而宇宙間最大的「銀河聚落」,稱之為 「the Great Attractor」(見前DDS029之文)。〕

對於這些超大質量的「黑洞」,它們所造成周遭物質的渦旋速率,更可高達 84% 的光速,讀者可以想像其之巨大和可怕,尤其從愛因斯坦「廣義相對論」來看,它所引致的「時空曲伏(the warping of spacetime)」,將是何等壯觀,這也就是為什麼,連光線也無法,越踰它而去。當然,大多數這些「黑洞」目前都處在一種靜止休眠(dormant)的狀態,其中僅有少數一些目前還在活躍(active)階段,後者正在把其周遭的物質,持續的拖曳向其中心,形成一個所謂的「增生碟狀物(accretion disc)」(見下圖;credit: Wolfgang Steffen, Cosmovision),這些「超大質量黑洞」往往和銀河系伴生在一起,而且大都在銀河系的中心,也直接影響了,該銀河系的大小。例如,上述Sombrero 銀河系中心的「黑洞」,它每 20 年,就可以呑噬等同一個太陽的質量,至於我們銀河系的那個 「Sagittarius A*」黑洞,它的胃口就小多了,大概每 1,000 年,才吞噬一個太陽的質量。


以上所述,其實也涉指了另一個更重要的問題,那就是:「黑洞」是如何形成的?歷經多年研究的積累,科學家們咸信,「黑洞」的由來,視其質量的大小而有所不同,就單一較小的「黑洞」而言,它們應是源自各別恆星,在其燃燒殆盡的毀滅過程中,經由逐步、重複冷卻和塌陷、最終聚融成一體積小,但密度幾近無限大的核心而來,由於其巨大的質量和引力,在其中心處,所有的物質(包括光)均被收斂成一個「單點(天文學上稱之為 singularity)」。在此「單點」鄰近的「時空曲伏(spacetime warping)」也變得無限大,此時我們所知的所有物理原理(包括量子力學和廣義相對論)也變得無法適用,也就是說,我們對這 singularity 的了解,已超乎了目前我們人類科學認知的範疇了。


至於那些超巨大質量「黑洞」的成因,目前科學家們的看法則頗為分岐,約略來說,大致有五種不同的見解:(1)它們是由質量較小的「黑洞」,不斷地吞噬、吸納入周邊的物質(主要為氣體),而持續逐步增大而來;(2)它們主要是藉由吞噬、吸附了鄰近的其他星體,逐步積累而成;(3)它們是由相鄰的不同「黑洞」融合而成。當然,以上這三種假說,都面臨一個共同的難題,那就是:上述這些過程,估計至少需要數十億年的時間,才有可能形成這些超巨大質量的「黑洞」,因而無法解釋「在宇宙形成的初期(即 10 億年內;見下篇 DDS038 的進一步說明),它們即已存在」的事實。(待續)

2014年2月9日 星期日

DDS036--「黑洞(I)」

在我個人對宇宙和天文學的膚淺認知裡,「黑洞(Black Hole;見下圖;credit: Alain R., Wikimedia Commons)」一直是個最神秘,又讓人充滿無限遐思和幻想的天文景象。一般說來,它因具有超巨大的質量,以及由此質量所衍生,讓你無法想像的引力,使得連光線(light),也無法逃離、越踰它而去,也因為如此,以我們的肉眼或是一般以光為媒介,探索宇宙的傅統天文觀測方法,根本無法察悉(即看到)它的存在,故稱之為「黑洞」,意謂人類憑肉眼的觀測是「看不到」它的。當然,我們也知道,「引力」固然是無遠弗屆,但是它也隨著距離的增加而快速遞減,對於「黑洞」所造成的「引力」,自不例外,由其所在的中心,向外遞減,在其外圍處,環繞一稱為「event horizon」的疆界,任何物體,只要一度越過此界線,就永遠無法再脫離而去,也就是所謂踏上了「不歸路」(point of no return)。

〔註:此 「event horizon」的名詞,中譯不易,讀者可以把其中的「horizon」視同如在地表上遠眺遠方,你看到的是一地平線(horizon),過了這地平線,你什麼也看不到,也就是說,在這地平線之後,到底發生了什麽事件/事情(event),你是不可能知道的,這「event horizon」指的就是這個意思,任何物體一旦穿越過了此「event horizon」,進入「黑洞」的範疇,你將無法知道,到底會發生什麼事情?〕


雖然「黑洞」為宇宙的秘境之一,而且我們對它的認知和了解,主要還是來自天文物理學者們,近半世紀來的觀察和研究成果,但讓人意想不到的是,「黑洞」這個概念,居然是由英國地質學家 John Michell 1724 - 1793)於 1783 年率先提出的。雖然不像其他名聞後世的偉大科學家,John Michell 的許多科學發現和成就,迄今仍為人所津津樂道,也舞法讓我們後世遺忘。例如,他對地球磁場和地震機制的研究,尤其是後者,更是現代地震學(seismology)的肇始圭臬、最早設計出測量兩物體間引力的儀器,使得我們今天才能有「引力常數(gravitational constant)」這個數值、天體中兩個恆星的共伴存在等等,也因為這些成就,他也因而獲選為英國皇家學會的成員之一。

但是,John Michell 除了對地質的研究深感興趣外,也對宇宙中各星體的運動十分好奇。當時他想知道天體中任一星體的質量,在他那個年代,他接受了「牛頓引力」的觀念,也相信當時認為「光是粒子」的說法,他的理解邏輯是:只要計算該星體熾射出的光線,其行進距離和速度的改變,即可推算出該星體的質量,就像在任一星體上投射一個物體,若該星體質量愈大,其「引力」也愈大,該物體掉落下來的距離和時間也愈近、愈快。他進而推算,若一星體,其質量為我們太陽的 300 倍,則其熾射出來的光線,將只能落回到該星體的表面,無法被我們觀測到。這個概念就是現今我們所謂的「黑洞」,由於其巨大的質量,連光線也無法脫離其所造成引力的範疇。下圖即為 John Michell 1783  年發表於 Philosophical Transactions of the Royal Society of Londonvol. 74, pp. 35)論文中,有關「黑洞」的一頁 (credit and sourcethe Philosophical Transactions of the Royal Society of London)。


儘管如此,「黑洞」這個天文學上的學名,後人咸認為是 1967 在紐約舉辦的物理研討會上,由著名物理學家 John Wheeler 1911-2008;見下照片。他的學生包括後來獲得 1965 年物理諾貝爾獎的 Richard Feynman;有人說,這位 Feynman 先生,是繼愛因斯坦之後最聰明的物理學家)所創。但是依據 John Wheeler 他自己的說法,他用「黑洞」這個名詞的靈感,其實是來自一位名叫 Ann Ewing 的女記者,當年( 1964 1 18 日)她在報導「美國科學促進會(the American Association for the Advancement of Science)」時,所寫的一篇名為「太空中的「黑洞」("Black Holes" in Space)」的新聞稿。


由這個小典故,我們就可以知道,要迎得別人對你的敬重,就必需對自己誠實,尤其不可剽竊別人的「原創力」。你也由此可以體會,什麼叫「人輕言微」,在現今的社會裡,同樣的話,小人物說破了嘴也沒用,還是要有大枷的幫你加持或背書才有效。要不,治標不如治本,從今起,你就好好努力,想辦法讓自己變成個大人物,到那時,相信我,「狗嘴也能長出象牙的」(所謂官大學問大啦!何況周遭還有一批恬不知恥的政客學者,曲意拍捧,跟著起哄,世道因此日下。「士大夫之無恥,乃是國恥」,古有明訓,讀書人切記之!)。

接下來,一個有趣的問題是:既然「黑洞」是「看不到的(invisible)」,我們又怎麼能知道它的存在呢?這你就要知道,科學家也是人,不見得比你聰明,但也不是笨蛋,老祖宗說:「天下無難事,只怕有心人」或所謂的「天道酬勤」,這時候就起了根本的作用。對於「黑洞」在宇宙間存在的證實,科學家們主要是先藉由了解「黑洞」的種種「特質」,進而依這些「特質」所應衍生的各種物理現象(例如,其巨大質量所衍生的引力,對鄰近物質或其他星體的影響),再利用各種不同的探測方法和儀器「按圖索驥」,就能逐步鎖定它可能存在的位置。說白點,就是仔細觀測,周遭星體或物質與「黑洞」的互動關係,再依據這些資訊,來推斷「黑洞」所在之處。事實上,依霍金(Stephen Hawking)博士的說法,「黑洞」的研究在人類科學史上,是先有完備理論基礎,再藉由觀測驗證無誤的罕有案例。

例如,以在我們銀河系中心,名為「Sagittarius A*」的超大質量黑洞為例(其質量約為我們太陽質量的 400 多萬倍),它距我們地球 2,600 光年遠(相當於 25 萬兆公里)。針對此超大質量的「黑洞」,科學家利用一名為「Event Horizon」的天文望遠鏡,拍攝得其影像(見下圖;creditsdecoret/Shutterstock ),該影像清楚顯現,在此「黑洞」周邊,有一由氣體熾射出來光線形成的渦流,由外而內向此「黑洞」中心集而去,表示渦流的中心區域,必有一巨大的「黑洞」存在,因為,唯有如此,其所造成的「引力」效應,才能使這些光線,成如洪流般的向其中心漫延而去。注意,圖片中的圓形黑暗區,即是所謂的「event horizon」,而所謂的「黑洞」就在這個圓形黑暗區的中心。(待續)