[轉錄][轉錄][暗黑] 宇宙的黑暗勢力——黑洞、暗物質 …

看板NTUastclub作者 (hydaya)時間17年前 (2007/04/06 10:36), 編輯推噓0(0推 0噓 0→)
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宇宙的黑暗勢力——黑洞、暗物質與暗能量 96/03/06 作者： 傅學海 臺灣師範大學地球科學系 哈伯太空望遠鏡所拍攝的星系 NGC 6251 的影像，顯示中心區有暗黑的塵埃盤，盤中央極 為明亮，符合黑洞的特徵。 http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2007_41/9603-10-02.jpg
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，而是指三種看不見、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 m(c^2)/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，m(c^2)/2 小於或等於 Mm/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/(c^2) 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（註一）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　　　重約一公克 白矮星物質　　重約一公噸 中仔星物質　　重數千萬公噸至一億公噸 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 年元月的封面故事；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。 經過十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 台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。經過十年的研究，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。 -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc) ◆ From: 61.223.123.75 ※ 編輯: johansoros 來自: 61.223.123.75 (04/06 10:37)
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