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第一個類星體–了解超大質量黑洞的第一步

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瑞秋‧偉柏斯特｜澳洲墨爾本大學天文物理研究所主任

2011春季「展望」系列的首場演講由澳洲墨爾本大學天文物理所瑞秋•偉柏斯特主任擔綱，她演講的主題是「第一個類星體—了解超大質量黑洞的第一步」。類星體是半個世紀以來，困擾天文學家的數種神秘天體之一，表面上看起來像是一顆普通的恆星，但是卻發出超過整個星系無比強大的能量，天文學家逐漸瞭解，這種天體其實是遙遠的星系，中心有個巨大的黑洞，正在吞吃周遭的物質！「黑洞」，是宇宙中極端天體的一種，然而什麼是「黑洞」？我們又如何得知星系中心巨大黑洞的存在？這場演講將帶我們探索大多數星系的核心天體。在星系核心活躍的階段，黑洞的存在使得星系中心成為「類星體」，但是在某些例子中，我們可以經由受黑洞重力影響的近處恆星，知道黑洞的存在。一個精彩的特例，就是我們所處的銀河核心。演講最後，瑞秋會介紹幾個新的觀測和實驗計畫，這些計畫的目的是要觀測第一代類星體的誕生。

在這場演講中，瑞秋•偉柏斯特主任試著解答以下幾個問題：宇宙早期的狀況像甚麼樣子？科學家如何得知黑洞的存在？我們又要怎麼找出第一個形成的恆星或類星體？

演講一開始，瑞秋花了比較多的時間，討論宇宙早期的狀況，我們知道，現在這個宇宙，開始於137億年的一次高溫大爆炸，在那次爆炸中，能量均勻散布在早期宇宙之中，宇宙不斷膨脹，使得宇宙早期的高溫輻射，溫度不斷降低，到今天我們能觀察到最早的宇宙訊息，就是已經降到絕對溫度3度左右的微波背景輻射。在 60 年代的時候，兩位美國貝爾實驗室的工程師，在測試電波通訊的時候，無意間發現了四面八方都有一個固定的電波背景雜訊存在，他們以為是電波天線上的灰塵雜物所造成的影響，但卻不知道，他們所發現的這個均勻「雜訊」，就是離他們實驗室不遠的普林斯頓大學中的天文物理學家，費盡心機要找尋的宇宙大爆炸的證據。結果，這兩位工程師得了諾貝爾物理獎。

時至今日，天文學家對這個背景輻射做了詳細的測量，不但發現表面上看起來十分均勻的溫度，其實有非常小規模的溫度起伏，這個起伏的量大概在十萬分之一度左右；更藉由溫度起伏的分布與強度，發現宇宙不是只有正常物質，而是包含了大量的暗物質與暗能量！

瑞秋說，科學家按照觀測模擬，得出宇宙年齡約137億年，宇宙現在約有5%的組成是原子，23%是暗物質，72%是暗能量。當年宇宙中較密集的小區域今天已經形成了星系；據科學家了解，在宇宙生成初期，是高熱、高密度，同時充滿輻射的。在宇宙不斷膨脹的過程中，宇宙的溫度逐漸降低。大爆炸之後的30萬年，原子開始形成，1億年後，恆星開始形成，10億年後，才有星系和類星體產生。

瑞秋說，宇宙較早期的微波背景輻射出現在「黑暗時期」之前；當電子和質子結合形成氫原子，會吸收宇宙中的紫外光，使得紫外光無法順利穿透宇宙，就形成了「黑暗時期」。「黑暗時期」何時結束？就是在第一顆恆星及類星體出現的時候！這些天體放出紫外光，把原本電子和質子結合構成的氫原子游離，對於這些高能光子來說，宇宙這時才變成「透明的」！

類星體在1960年代被天文學家發現，這些天體在照片上看起來就像一般的恆星，但是經由光譜觀測，科學家卻發現它們是非常奇怪的天體。今天我們知道類星體其實就是遙遠的星系，中心可能有一個質量相當大的黑洞，正在吞噬周遭的物質，物質在掉進黑洞的過程中會釋放能量，讓這個星系的中心格外明亮，相形之下，星系周遭的盤面暗淡到看不到，使得這個天體遠看就像是一顆恆星，所以稱做「類星體」。天文學家已經發現，有許多遙遠星系中心都有巨大的黑洞存在，有些在吞噬物質，非常明亮，有些則已經把周邊能吃的物質吃完了，除在餓肚子的狀態，但因為這些黑洞有著巨大的重力場，所以如果黑洞周邊有恆星運行，這些恆星看起來好像在圍繞著一個「看不到」的東西旋轉；觀察了恆星繞行星系中心的軌道和速度，再利用克卜勒定律計算，就可以得知這些看不到的東西，擁有非常大的質量。

不是只有遙遠的星系中心才有巨大的黑洞，瑞秋放映了一段影片，是由1992至2006年的天文觀測數據組合而成。在這14 年中，天文學家觀測到銀河中心附近有幾個恆星，以橢圓形的軌道繞著一個偵測不到任何光波訊息的中心天體旋轉。瑞秋說：「因為可以經由物理定律測量中心天體的質量，所以我們知道銀河中心的確有一個大黑洞存在！」

瑞秋來自澳洲，她說目前在澳洲西部，科學家正在建造長波段電波望遠鏡陣列，當地為了維持無汙染的電波觀測環境，不允許做任何的手機通訊。天文學家希望藉著這個大型的地面電波望遠鏡，我們應該可以觀測到宇宙「再游離時期」的無線電波，希望能藉此找出宇宙中的第一代恆星和第一個類星體。

黑洞(19) 輻射(39) 紫外光(5) 軌道(11) 恆星(23) 行星(36) 質量(5) 電波(36) 望遠鏡(18) 暗物質(15)

第一個類星體–了解超大質量黑洞的第一步

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