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宇宙的黑暗勢力–黑洞、暗物質與暗能量

96/03/06 29614

傅學海｜臺灣師範大學地球科學系

這個宇宙中充滿了黑暗勢力！這可不是指黑道、幫派之類的黑暗勢力，也不是指邪惡帝國、魔鬼之類的黑暗勢力，而是指3種看不見、無法直接偵測到的「玩意」：黑洞、暗物質（dark matter）與暗能量（dark energy）。它們是天文學術界中最熱門的話題，也是待解的謎。小至恆星結構與演化，大至星系、甚至宇宙的結構與演化，都與這三者有關。

美國航空暨太空總署在2003年2月11日召開記者會，宣告最新測得的宇宙物質的成分，認為宇宙中只有百分之四是一般物質，百分之二十四是暗物質，百分之七十二是相當奇異的暗能量。也就是說，我們所熟悉的、會發光的物質，像原子、分子，以及由它們組成的恆星、星雲、星系等，在整個宇宙中是屬於稀有的一族。

既然稱它們為「黑暗」，就表示是無法看到的，卻又察覺得到它們的存在，這三者都是「查無實物，事出有因」。我們能夠知道這些物質與能量的存在，是因為它們的重力效應，而不是它們所發出的光、電波、X光等。

光線無法逃出黑洞，當然看不見它，只能由其他方法間接偵測天體的質量來推測它是不是黑洞。暗物質本身不發光，也不是黑暗星雲，因為如果是黑暗星雲之類的物質，會遮掩遙遠天體所發出的光線，但是天文學家卻能看到極其遙遠的宇宙深處，因而排除了這個可能性。因此天文學家急於想知道暗物質到底是什麼。暗能量則是指讓整個宇宙都加速膨脹的能量，是最新發展出來的概念，這個概念也直接關係到宇宙的結局。

原先，天文學家預期宇宙在大霹靂以後，膨脹速率會被宇宙本身的重力吸引而減緩，現在竟然偵測出宇宙膨脹不但沒有減緩，而且還在加速膨脹中，這可是不得了的大事。要使整個宇宙加速，那要多大的能量啊？無以名之，天文物理學家給它一個很難懂的名稱「暗能量」。

黑洞

愛因斯坦在1915年提出廣義相對論，史瓦西（Karl Schwarzchild, 1873-1916）求出了重力方程的一個解，顯示有一個時空奇異點。惠勒（John Archibald Wheeler, 1911-）在1971年把它稱為「黑洞」，這個名詞迅速獲得大眾的注意並激發想像力，引起廣泛的討論。直到今天，仍然是天文或理論物理領域中最熱門的話題之一。

其實在愛因斯坦之前，英國的愛丁頓（Arthur Stanley Eddington, 1882-1944）曾經考慮過一顆恆星演化的終局，它本身的重力可能強大到光線都無法逃出的情況。美國氫彈之父歐本海默（Robert Oppenheimer, 1904-1967）和施內德（H. Snyder）在1939年提出論文，認為質量比太陽大數倍的恆星，在末期可能會潰縮到密度極高、表面重力強大的狀態。

但是，有關黑洞的理論一直只在理論物理圈內迴旋激盪，圈外卻無人過問，因為這只是一種理論，與實際的世界或宇宙並沒有關係。然而在1967年發現了波霎，一種發出電波脈衝的天體，認為脈衝是中子星快速自轉所產生的，這使世人認識到宇宙中確實有密度極高、重力強大的天體。認為黑洞這個概念也因此引起大眾與媒體的興趣，成為歷久彌新的話題之一。

黑洞的重力十分強大，連光（電磁波）也無法逃脫，因此沒有任何「光」可以「洩」出黑洞。假設光子的質量是m，則一個光子與星球之間的重力位能是－GMm／r，其中M是星球的質量，r是光子與星球之間的距離。

再假設光子的動能可以用牛頓力學寫為 mc²／2，其中c是光速。如果「光子的動能」等於或小於「光子與星球之間的重力位能」的絕對值，mc²／2 ≦ GMm／r，光子就無法從星球逃脫。

當上式是等號時，所求得的距離 r ＝ 2GM／c² 稱為「視界」，是黑洞的半徑。也就是說，在這距離以內的光子是無法逃脫出去的。雖然這個結果是由牛頓力學類比而得到的，卻與由廣義相對論推導的結果相同，且在觀念上比較容易想像。

依據理論，在6至8個太陽質量以上的恆星，在演化末期發生超新星爆炸常會流失大量的質量。如果內核區域的質量大於3個太陽質量，則由於體積被壓縮至10公里以內，重力強大到連中子壓力（註1）都無法支撐的程度，則整個星體會被重力拉扯，一路往內收縮。碰到這種情況，量子物理學家再也想不出有什麼方法可以擋住強大的重力，只能用愛因斯坦提出的廣義相對論來描述以後的情景。

依據廣義相對論，如果把太陽質量大小的星球縮小到約3公里左右，它表面的重力會增為五百多億倍，強大到連光線都無法脫逃，而成為一個「黑洞」。但是，依據理論的計算，太陽型恆星在演化末期的重力不夠強，不會爆炸形成「超新星」，只能成為體積與地球差不多大小的「白矮星」。只有質量是太陽質量6倍以上的恆星，才有機會在演化末期爆炸形成黑洞。

既然黑洞不發光，那麼如何發現它呢？對於單獨的黑洞，天文學家目前仍然想不出好方法。但是，如果黑洞是雙星系統中的一員，則可以藉著觀測雙星的運動來推估看不到的伴星質量。如果伴星質量超過3個太陽質量而又看不到它，它可能就是黑洞了，至少也是黑洞的候選者。

在雙星系統中，如果其中一顆是黑洞，則另外一顆恆星在演化晚期膨脹成為超巨星時，膨脹的物質會被黑洞強大的重力吸引，依著螺旋的路徑向黑洞陷落，形成一個吸積盤（accretion disk）。物質在吸積盤中盤旋陷落的過程中，一路碰撞推擠，半徑越來越小，溫度也隨著升高。在吸積盤內層，溫度高達攝氏百萬度，而發出X光。

因此，天文學家搜索X光雙星系統，推算看不見的伴星質量，如果這個看不見的伴星質量超過3個太陽，則認為它是黑洞的候選者。

天鵝座X－1

在所有黑洞候選者中，天鵝座X－1公認是最有可能的候選者。天鵝座「X－1」表示它是天鵝星座第一個被發現的X光來源。與可見光影像對照後，發現它的位置與一顆名為HDE 226868的藍色超巨星重疊。

分析這顆藍色超巨星的光譜，發現它有一個看不到的伴星，互繞的軌道周期是5.6天。估算雙星的總質量後，再扣除HDE 226868本身的質量，發現看不見的伴星質量在6至8個太陽質量之間。另外，X光強度有快速的變化，顯示發出X光的區域很小，小於數百公里。綜合種種跡象，天文學家認為天鵝座X－1極有可能是一個黑洞。

天文學家也觀測到一些其他的黑洞候選者，例如小麥哲倫雲X－3、X光雙星系統A0620-00等。

密緻天體

白矮星、中子星、黑洞的性質並不像一般恆星，它們體積十分小，密度非常大，天文學家通常稱它們為密緻天體。天文物理學家仍然未能完全了解這些密緻天體的物理性質，例如白矮星與中子星的冷卻速率、表層結構等，都是極具挑戰性，也是非常重要的問題。如果能掌握白矮星的冷卻速率，就可以透過觀測白矮星的表面溫度來推算它的年齡，這也是評估銀河系或宇宙年齡的一個方法。

太陽與密緻天體密度的比較，一小湯匙的

太陽物質　　重約1公克
白矮星物質　重約1公噸
中子星物質　重數千萬公噸至1億公噸

巨大黑洞

除了恆星量級的黑洞外，許多天文學家相信星系中央有質量超過1百萬太陽質量的超級大黑洞，我們的銀河中心也有個這樣的巨大黑洞。

天文學家利用光譜測量星體的速度，發現星系中心周圍的天體都以極高的速度，繞著星系中心運動。如果星系中心沒有巨大的質量產生強大的重力，如此高速運動的恆星勢必飛散，無法形成穩定的系統。然而，一百多萬個太陽質量的物質聚集在只有數光年的範圍中，密度之高已經超出牛頓力學的範疇，只能用廣義相對論中的「黑洞」概念來描述。

電波天文學家在探測銀河中心區域時，發現到一個很強的電波源，稱為「人馬座A*」，距離我們約2萬5千光年，認為是銀河中心的位置。

天文學家把錢德拉X光太空望遠鏡對向「人馬座A*」，發現它發出X光，但是強度很低不足以顯示有巨大黑洞的存在。但是在2000年10月，偵測到「人馬座A*」區域在3個小時內產生明顯的變化，推算出X光源的直徑相當於地球至太陽間的距離，也就是1億5千萬公里，估計其質量是太陽的260萬倍。

銀河中心區遍布雲層，可見光無法穿透，但是電波與紅外線能夠穿透雲層，因此天文學家利用電波與紅外線望遠鏡來觀測銀河中心。天文學家使用紅外線望遠鏡對銀河中心數光年之內的恆星，進行長期的監測，累積8年以上的時間，觀測這些恆星的移動。結果顯示銀河中心的質量超過太陽的1百萬倍，擠在0.02光年的狹窄空間內，這是一個很強的證據顯示銀河中心有一個超級大黑洞。

科學家在1997年檢驗哈伯太空望遠鏡所拍攝的星系NGC 6251的影像，影像可以分辨50光年的細節，發現它可能有一個巨大的黑洞。星系NGC 6251位於大熊座方向，距離地球約3億光年，它的中心周圍有塵埃盤面圍繞著，核心非常明亮，符合黑洞的特徵。

M84是室女座星系團中的一個橢圓星系，距離地球約5,500萬光年，它有一個塵埃圍繞的核心。天文學家使用裝置在哈伯太空望遠鏡的影像光譜儀，測量到M84中心26光年內的速度是每小時140萬公里，再推算出其質量至少是太陽的3億倍。這麼大的質量擠在如此小的空間裡，除了形成一個巨大質量的超級大黑洞外，目前想不出有其他的解釋了。

暗物質

暗物質的發現與一位女性天文學家有關。薇拉‧魯賓（Vera Rubin）和她的研究伙伴在1970年代研究銀河系與其他大型渦狀星系的運動，發現在星系中心外圍的恆星速率並沒有如預期地減慢，而由運動速率可以估計星系的質量，天文學家早就發展出一套由光度推算出質量的模式，兩相比較之下，意外發現星系的物質遠比光學望遠鏡所觀測到的多得多。隨後，愈來愈多的研究也顯示同樣的結論。

依據星系運動模式，確實應該有這麼多的物質，不然這些恆星早就飛散了。而天文學家知道星系是一個穩定數十億年以上的系統，必須有大量的物質才能束縛這些高速運動的恆星。這些物質如此神祕，不發出可見光、電波、X光等電磁波，也不是黑暗的雲狀物。天文學家弄不清楚它到底是什麼，一下稱它為「迷蹤物質」，一下子稱它為「暗物質」，後來統稱為暗物質。

「迷蹤物質」一詞並不是魯賓發明的。早在1930年代，美國威爾遜山天文臺的茲威基（F. Zwicky）在研究后髮座星系團時，分析其中一些星系相對於星系團的速度，計算需要多大的重力整個星系團才不會飛散。計算的結果顯示，依據重力所計算的質量，遠大於用發光天體所推算的質量，也就是整個后髮座星系團有百分之九十的質量是看不見的，他稱之為「迷蹤物質」。但是他的推論淹沒於浩瀚書海中，並沒有引起「浪花」，直到魯賓與其他研究群也得到類似的結果後，才逐漸成為天文學術界主要的議題之一。

然而，暗物質到底是什麼，卻不是這麼容易就得到一致的結論。基本上，天文學家分為兩派：一派認為暗物質是幾乎沒有質量、很難與其他物質發生作用的微中子；另一派則認為是一些小而無法觀測到的天體，例如棕矮星、行星、小行星等。目前科學界仍在探尋暗物質的本質。

棕矮星

棕矮星是介於「恆星」與「行星」之間的星體。它的質量不夠大，比百分之八的太陽質量還小，因此中心的溫度不夠高，不足以引發使一般恆星發光發熱的氫融合反應。另一方面，它的質量又太大，溫度足以讓整個星體成為游離狀態，不像行星是以中性的原子、分子為主。

棕矮星的觀念在1960年代就提出了，但是一直無法獲得觀測的證實。直到哈伯太空望遠鏡在1995年拍攝到第一顆棕矮星的影像，才證實其存在。

德國天文學家葛利斯（Wilhelm Gliese, 1915-1993）製作了一個太陽鄰近區的星表，是天文學家尋找太陽附近天體時常用的參考星表。其中G229是一個光譜為M型的棕矮星，位於天兔座，距離地球約18光年。在1994年，天文學家利用美國加州帕羅瑪山的60英寸反射鏡，配置調適光學（adaptive optics），在遠紅光波段拍攝到的影像，顯示G229旁邊有一顆黯淡的小星G229B，兩星的距離與太陽－冥王星間的距離相當。在哈伯太空望遠鏡1995年11月的影像中，可清楚分辨出G229B，確定它是一個棕矮星，質量大約是木星質量的20至50倍。

目前發現的最低溫棕矮星是2MASS 0415－0935（註2），位於波江座，距離地球只有19光年，體積與木星差不多，表面溫度只有攝氏410度，比一般家用烤爐高數百度，但比燃煤的溫度低。分析2MASS 0415－0935的光譜，顯示它的大氣中含有甲烷與水蒸氣，屬於最低溫天體的特性，光譜分類是T型。

棕矮星並不能像恆星一樣自己產生熱，而是靠著形成時所遺留的殘熱，隨著時間流逝而散熱，逐漸冷卻。棕矮星原先的熱與冷卻速率依據其質量而定，質量越大，起始溫度越高，散熱也越慢。

目前已經發現了數百顆棕矮星。依據估計，棕矮星對暗物質的貢獻，最多只有三分之一。因此，暗物質的本質仍屬待解的謎。

黑暗能量正在加速宇宙

如果常留意新聞報導或天文新知，可以發現在過去數年中，常會看到「黑暗能量」一詞。全球知名科普刊物《科學美國人》（Scientific American，中文版是《科學人》）以它為1999年1月的封面故事；美國兩大知名通俗天文雜誌《天空與望遠鏡》（Sky & Telescope）及《天文》（Astronomy），也都為文介紹過這個名詞與觀念。

經過10年對超新星事件之類的研究，顯示宇宙正在加速中。美國能源部的勞倫斯－柏克萊國家實驗室進行一個國際性的「超新星宇宙論計畫」。在1998年，「超新星宇宙論計畫」與另一「高紅移超新星搜尋」研究團隊合作，兩團隊的方法相同，但後者使用澳洲天文臺的望遠鏡觀測到數打超新星，包含一些極遙遠的超新星。

兩研究團隊都藉著觀測超新星，嘗試測量宇宙膨脹變化率，以探討宇宙的起源、結構與末日。經過10年的研究，結果顯示宇宙正在加速中。

研究群原先假設：「由於物質被重力吸引，宇宙膨脹會被重力拖慢」，因此預期觀測到宇宙膨脹減速的幅度。但是令人意外地，兩研究團隊發現竟然沒有減速，而是在加速中。這消息迅速在科學社群中傳開。

另一研究群以另一種方法，也提出「黑暗能量」的觀測證據。他們觀測了2萬5千個星系團，與宇宙微波背景輻射比較，檢驗兩者間的差異。發現這些區域的微波背景輻射溫度有些微的上升，這種情況只能以黑暗能量解釋，因為星系中包含了黑暗能量，使通過其間的光子能量增加。

「黑暗能量」使宇宙間有一種斥力，是1917愛因斯坦在解重力方程時，為了維持穩態的宇宙，所增加一項稱為「宇宙常數」的假設。它是說萬物間有互相排斥的力量，而且兩物質相距愈遠，排斥力愈大。這個排斥的力量，阻擋了收縮的重力，使得宇宙維持在穩定的狀態。

後來，美國天文學家哈伯在1929年發現遙遠星系都在遠離中，而且距離越遠的星系，奔離的速度越快，這便是著名的哈伯定律。哈伯定律證明了宇宙正在膨脹中，因此宇宙常數所代表的宇宙斥力的假說也就銷聲匿跡了，愛因斯坦也說這是他一生中最大的錯誤。

但是，事情總是峰迴路轉、有起有伏。最近從宇宙膨脹現象的觀測中，發現宇宙似乎在加速膨脹。這就奇怪了，重力只會拖慢膨脹速率，那麼是什麼使宇宙膨脹加速呢？而且是屬於宇宙尺度的範疇，要把整個宇宙加速，所需要的能量可是大得難以想像。科學家無法解釋宇宙加速膨脹的原因，又把愛因斯坦當年的假設搬出來，也給了一個具有充分想像力的名詞─「黑暗能量」。又說，愛因斯坦的錯誤很可能是個「美麗的錯誤」。

目前，有關宇宙膨脹的解釋不只黑暗能量一種說法，理論物理學家正在設法解釋觀測到的現象，可能需要數年的時間，也可能需要數十年，誰知道呢？確定的是，如果有人的理論可以通過層層爭論與觀測的考驗，就表示人類對宇宙的認識又更進一步。

黑暗與光明是相對的，必須共存才各有意義。過去一世紀以來，黑洞、暗物質吸引了眾多專家與媒體的注意，到了20世紀末，黑暗能量又成為流行的名詞。希望在這新的世紀結束前，科學家能揭開這宇宙間3種黑暗勢力的面紗。

註1：中子星本身是由中子構成，用來抵抗重力的壓力，物理專有名詞是「中子簡併壓力」。
註2：2MASS是「兩微米全天監測計畫」（Two-Micron All-Sky Survey）的簡寫。

資料來源

《科學發展》2007年3月，411期，58 ~ 65頁

暗物質(15) dark matter(1)

宇宙的黑暗勢力–黑洞、暗物質與暗能量

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