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探索宇宙黑洞研究成果以及「超巨質量黑洞」的成長機制!

112/10/30 瀏覽次數 3306
圖一:超巨質量黑洞一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據,但超巨質量黑洞究竟如何形成,至今仍是學界的未解之謎 。(影像來源:Wikipedia)

圖一:超巨質量黑洞一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據,但超巨質量黑洞究竟如何形成,至今仍是學界的未解之謎 。(影像來源:Wikipedia

黑洞一般認為是廣義相對論的產物,但早在 18 世紀,英國的自然哲學家約翰·米歇爾(John Michell)和法國著名的數學家皮耶─西蒙·拉普拉斯(Pierre - Simon Laplace)就有提出類似的概念。想像我們拿一個排球往上拋,當我們愈用力排球就會飛愈高,儘管排球最後又會受到地球重力的吸引而掉落,但我們知道離地愈遠地球引力就愈小,因此如果向上拋排球的速度夠快,排球就有可能不再掉回地球表面,這個速度就是所謂的「脫離速度」。

如果將排球換成一個天體,當天體的重力場大到使物體速度必須大於光速才能脫離,這時甚至連光都無法脫離這個天體,這個天體就無法被看到。從這種概念出發,約翰·米歇爾認為如果有一個直徑為太陽 500 倍、密度與太陽類似的天體,那麼這個天體將無法被看到,他稱這種天體為「暗星」,如果將脫離速度用光速代替,就可以得到古典力學概念下暗星的半徑:R=2GM/c2。雖然這個半徑是出自古典力學的想法,但其結果卻與相對論中非旋轉的黑洞半徑一樣,另外約翰·米歇爾也提出可以利用周圍天體的運動來觀測暗星的概念,這與現代偵測黑洞的方法幾乎完全相同。

古典暗星與現代黑洞雖然半徑一樣,但概念上卻有本質差異。現代黑洞的半徑並不代表一個實際表面,而只是一個空間界線,將黑洞半徑內外的空間分開。現代一些理論認為物質進入黑洞後,會直接往黑洞中心的奇點(意即一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點)前進,因此可能沒有物質停留在黑洞半徑處,而且外面物質一旦進入黑洞半徑範圍後,就無法再來到黑洞半徑之外。

宇宙黑洞研究的發展進程

約翰·米歇爾和皮耶─西蒙·拉普拉斯概念中的暗星都非常巨大,但在 20 世紀後,天文學家開始發現一些質量大約在數個或數十個太陽質量的黑洞。這些黑洞的來源,一般相信是大質量恆星(超過 25 倍太陽質量)演化的最終產物。這些大質量恆星在其演化末期成為超新星爆炸(恆星死亡時所產生的劇烈爆炸現象),讓恆星外殻向外爆炸,恆星核心則塌縮形成一個黑洞。這種數個太陽質量的黑洞密度非常大,半徑約有幾公里大小,因此在黑洞半徑外圍附近,會具有很強的潮汐力。一般日常生活中的生物或儀器都無法抵抗這強大的潮汐力,因此無法安全到達這種數個太陽質量的黑洞半徑附近,更遑論進入黑洞空間內部探測。

另一方面,20 世紀電波天文學(是指使用無線電波的波段記錄來自天體的輻射發展出的天文學)的應用,則發現「電波類星體」。這些是非常高紅移(Redshift,意即距離非常遙遠)的天體,這些天體雖然體積極小,卻具有強大的電波與其它波段輻射,像是一個約太陽系大小的天體,就可以放出比整個銀河系更強的輻射。從電波類星體被發現開始,就有許多天文學家猜測它們強大輻射的來源,就是來自內部一個超巨質量的黑洞,然而這些超巨質量黑洞的存在,要一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據。有趣的是,這些黑洞的大小與密度,很類似約翰·米歇爾和皮耶─西蒙·拉普拉斯概念的暗星。

超巨質量黑洞擁有大質量的秘密

這些超巨質量黑洞究竟如何產生?這是現代天文學一個重大問題。目前已知黑洞都是位在星系中心,像是銀河系中心就有一個質量約四百萬太陽質量的巨質量黑洞,但星系演化與其中心黑洞質量的關聯,目前仍不清楚。例如最近發現許多紅移大於 7 的類星體,但當時宇宙年齡不到 8 億年,大部份星系應該都在演化的初期,但其中心的黑洞質量卻估計有 10 億個太陽質量,讓人不禁好奇這些黑洞如何在這麼短的時間成長到這麼大的質量?

雖然黑洞能吸引物質,但大部份物質都有角動量(Angular momentum,是指物體轉動時會擁有的一種物理量)和動能,所以不容易被黑洞吸收,像是太陽雖對地球有引力,但即使太陽變成黑洞地球也不會掉到太陽裡。因此要讓黑洞持續成長,必須有不同質量的天體發生碰撞而損失角動量,進一步掉到黑洞附近;或是當星系合併時,星系的分子雲會與其它的原子雲及恆星碰撞,相對恆星和原子雲具有很大質量的分子雲,便會損失能量和角動量而掉到星系中心的黑洞附近。最近模擬研究顯示,這樣的機制可以讓黑洞在 2 到 3 億年就長到約 10 億個太陽質量,這也許是提供一個早期黑洞快速成長的方式。

目前我們比較確定的是超巨質量黑洞與星系演化有關,但其關係為何尚待釐清,例如是先有黑洞才有星系?還是先有星系再形成黑洞?或是兩者同時產生?直到現在超巨質量黑洞的形成仍是一個未解之謎,也是一個值得天文學家持續探究的有趣題目。

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