首頁 > 第一個類星體–了解超大質量黑洞的第一步
:::

第一個類星體–了解超大質量黑洞的第一步

 
 
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。

推薦文章