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；credit：NASA/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1 至 2 Mpc（1 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 至 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）