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窺探黑暗中的秘密–如何觀測黑洞?

 
 
江教授說:「黑洞一片漆黑,是宇宙中最神祕的天體,又因為擁有強大的引力,連光都無法輕易通過。那我們到底要如何觀察黑洞呢?我們又是怎麼知道宇宙中有黑洞?竟然還他們幫他們進行分類!」天文學家普遍相信,宇宙中存在兩種黑洞,分別是由恆星塌縮而成的黑洞,以及隱藏在星系中心超大質量的黑洞。而近年來天文學家更推估,認為還有「中型黑洞」存在,介於這兩個分類之間。我們將在這一場的天文饗宴當中,和諸位介紹如何利用不同的觀測方法去研究和尋找黑洞。

講演內容綱要

在四月25日的展望演講中,清華大學天文研究所的江國興教授介紹了一個無論老少都很有興趣的講題:「窺探黑暗中的秘密–如何觀測黑洞」,江教授告訴我們,天文學家如何使用不同的觀測方式和波段,去尋找和研究黑洞。

江教授不僅是天文專業學者,也是一位長久的業餘天文愛好者,白天工作,晚上天氣好就去觀星。江教授說:「放假的時候,我會去很偏僻的地方看星星,我只是覺得星空很美麗!」江老師追過月全食,看到整個月亮都是紅色的。「我對天文景象深深著迷,就開始閱讀很多書籍。」其實只要天氣好,江教授就會跑到外面看星星,不一定需要望遠鏡才能做天文學家,只要用「肉眼」其實就可以看到很多東西。

老師自己有一臺小望遠鏡,他帶著到世界各地,「和研究沒有關係。」老師到埃及追月全食,看非常漂亮的天文現象。「事實上,很多業餘觀星者,都不懂天文。」可是這又有什麼關係呢?老師表示,自己也有過一段瘋狂求知的過程。

江教授從小在香港長大,香港給人的印象,是沒有地方可以看星星。但其實有一些地方很不錯,唸中學和大學的時期,江教授就和朋友背著很重的儀器,到戶外看星星。「我知道天文是美麗的,我只想多學一點東西。」那時候的老師,對科學的各領域都有興趣,老師廣泛涉略科學知識,也透過天文,培養與加強自己的知識。「我很小的時候,從沒想過要做天文學家。大部分的業餘愛好者,不一定會成為天文學家。」事實上這是一種純粹的愛好,在香港唸書的江老師,表示香港其實不重視天文,來到臺灣能找到天文學家的工作,江教授很高興。可是專業的天文學家,和許多行業一樣,每天坐在辦公桌前面對電腦。「只有業餘天文學家,可以每天晚上看星星。」很多大學其實沒有自己的天文臺,專業人員每一年可以去天文臺的次數,只有一兩次。

黑洞是非常非常小的東西,早在18世紀,英國天文學家J. Michell和法國數學家Laplace就提出黑洞的概念。他們計算「脫離速度」,如果你想把東西射到外太空去,可以根據星球的質量,來計算脫離的速度。中子星的體積小、質量大,脫離速度需要很高。如果天體越來越大,連光子都沒辦法離開這個天體的時候,這個天體就不發光,成為「黑洞」。但如果這樣的天體真實存在,會是什麼樣子? Michell提到一個想法,雖然天體不發光。所有光都跑不出來。可是我們可以透過這個天體附近別的天體的運動,推估到這個神秘天體的存在。這想法也就是今天用的方法,黑洞確實是「黑」的。可是我們可以透過研究黑洞對附近環境的影響,知道它的存在。

我們如何定義黑洞的大小?我們利用「奇點(Singularity)」為中心,定義出「史瓦茲半徑(Schwarzschild radius)」,只要在這個範圍內,物質就無法逃離。這範圍就是「黑洞」的大小,從外面看,它和地球以太陽為中心運動的模式,沒有差別。太陽若變成一個黑洞,它的史瓦茲半徑只有「3公里」,邊緣就是「事件視界」(Event Horizon),進去了就出不來。

黑洞在吸收物質進入的時候,會在外圍產生一個「吸積盤」(Accretion Disk),物質經由吸積盤逐漸落入黑洞之中。為什麼我們會知道有黑洞存在?如果黑洞附近有另外一顆星,以黑洞為中心旋轉,就形成一個雙星系統,我們可以透過研究黑洞附近的另一顆星的運動,得知黑洞的存在。而黑洞南北兩軸會有「噴流(Jet)」射出,詳細的原因我們仍然不知道。

大部份我們所看到的黑洞,都是恆星層級的黑洞,大概是10個太陽質量的大小。但另有超大質量黑洞,可能有超過100萬個太陽質量的黑洞位在星系中間。而中質量等級的黑洞,大概是落在100到10,000個太陽質量的等級。因為觀測很困難,我們不知道它們是不是存在。可是中質量的黑洞存在對這種天體的演化有巨大的影響。為什麼會有這些東西出現?怎麼跑出來的呢?一堆天體聚集在一起,最後如何聚集成超大質量的黑洞?在後幾場的展望講座中,林彥廷博士將為我們做進一步的說明。

恆星在出生時我們就知道它未來會變成什麼樣子。對那些質量比較小,和太陽差不多一樣的恆星,最後會演化成「白矮星」,而大一點的恆星,演化的途徑中會經過一個「超新星爆發」的過程,爆發後剩下的東西才是重點,會出現不同的天體,如果剩下的東西比太陽大,像是3個太陽質量大小的天體,就可能會變成「中子星」,大於3個太陽質量的天體,就變成我們今天的主題:「黑洞」。

「我們最終希望可以拍到黑洞的照片!」可是黑洞實在非常的小,用我們現在最先進的儀器還沒辦法看到,現在是藉由黑洞周邊的「光」去探討黑洞的存在和性質。一般而言,可見光和紅外線是我們探討行星和恆星的波段;X光、紅外線,和無線電波,是我們用來看「噴流」的波段;而「吸積盤」的觀察,則在X光、紫外線,和可見光。透過不同波段的光線所攜帶的資訊,可以讓我們研究黑洞的系統,所以我們現在是用「多波段的望遠鏡來進行觀測」。

銀河系中心雖然有個400萬太陽質量的黑洞,但是因為它距離我們很遠,有26,000多光年,銀河系中又有非常多其他的恆星,所以觀測難度不小。未來當我們用更大的望遠鏡去看銀河系的中心,會發現什麼?我們會看到很多星在旁邊環繞中心運轉,我們可以看到這些恆星各有不同的軌道。而通過研究這些軌道,我們就可以研究黑洞周遭的相對論效應。當然解析度很重要,因為黑洞真的很小,從地球看過去,銀河系中心的黑洞,大小就好像從台灣看美國東岸一顆鹽巴一樣!真的看得到嗎?當望遠鏡越做越大,尤其是在無線電波的波段,發展了「干涉儀」之後,就可以獲得很高解析度的影像。

地球的直徑是12,800 km,我們要如何作出真正的大望遠鏡呢?我們透過全球「特長基線干涉儀」(The Global VLBI)提高我們的解析度。而目前成熟的干涉技術,只侷限在毫米至釐米波段,但會越來越好!江教授最後鼓勵年輕學生,儀器設備都會不斷進步,下一代的大望遠鏡將更有威力地揭開黑洞的奧秘!

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