黑洞並非洞 表面重力可達數百億倍

文/林琦峰(台北市立天文科學教育館解說員) |2013.12.27
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 圖為夏季人馬座。圖/李合峰
 圖為宇宙構成比例。圖/林琦峰
 全球有許多科學家都希望揭開超大質量黑洞的神秘面紗。圖/陳瑞源
 圖為洛夫喬伊彗星。圖/蔡明宏

2013下半年,夜空中多了幾顆拉著長長尾巴的彗星,引起很多追星族的好奇,為何黑夜中會突然出現彗星?其實人類對黑暗宇宙的認知,隨著觀測技術與理論的發達,已經有很大的進展。人類在用眼睛觀看宇宙星空的年代,可見約6000顆星星,其他天體因為太暗,而以為不存在。十七世紀開始,使用望遠鏡觀測星空,人們能看見的星星更多了,也開始知道不同天體的特色。近年來,天文理論發展快速,天文學家認為,宇宙中我們認識的物質僅占一小部分,大多數是看不見的暗物質與暗能量。

 就太陽系而言,除了太陽與月亮外,最早被發現的還有金星、木星、水星、火星及土星等五顆行星,都是屬於用眼睛就可以看見的亮天體,從古代人將日、月及五行合稱為七曜,就可以知道它們的明亮程度。十七世紀後,使用望遠鏡觀測星空,陸續發現天王星、海王星及其它較小的天體。這類較小的天體,包含成分與類地行星相似的小行星,其位置主要分布於火星與木星間的小行星帶中,數量估計有百萬顆以上。有趣的是其中有一顆約3公里大的小行星257248,於2009年3月20日被發現,後來以臺灣知名的歌手名字命名,稱為「周杰倫小行星」。

 另外,相距太陽35至100天文單位間的古柏帶中,分布了大小、軌道、特性皆不同的天體,例如矮行星及短周期彗星;相距太陽約50萬天文單位的歐特雲中,聚集約有千億顆一公里大小的天體在其中,天文學家相信此區域是長周期彗星的發源地。彗星一般被稱為髒雪球,進入木星軌道後,受太陽影響增大,結構變得較鬆散,彗尾也開始變得較長,被發現的機會大增,所以大家別在誤以為彗星是突然出現的。

 2013年堪稱彗星年,這一年當中,值得觀賞的彗星數量比往年還多,除了年初的泛星彗星之外,年底還有洛夫喬伊彗星、艾桑彗星、恩克彗星和麗妮兒彗星。其中艾桑彗星還被譽為世紀彗星,可惜的是這顆掠日彗星,在11月29日掠過太陽後,變得越來越暗淡,最後再也沒發現它的蹤跡,一般認為它已經被太陽的熱所蒸發了。

 太陽系中也有些更小的天體會飛掠地球,甚至撞擊地球,就如2月15日發生於俄羅斯中部的「火球爆炸」事件,這些可能對地球造成嚴重災害的小天體,也堪稱太陽系中的黑暗勢力。

 另一個吸引大眾注意的宇宙黑暗勢力是「黑洞」,1915年德國天文學家卡耳.史瓦西,求出了愛因斯坦廣義相對論中重力方程的一個解,顯示有一個時空奇異點,直到1971年惠勒把它稱為「黑洞」。黑洞並不是一個洞,一般認為太陽質量大小的星球,縮併到直徑3公里左右,其表面重力會增為數百億倍,這時連光都無法逃脫,無法直接觀測,而成為黑洞。

 太陽繞銀河系轉一圈需2萬5千年

除了恆星等級黑洞外,現在天文學家普遍認為,銀河系的中心有一個高達400萬倍太陽質量的大質量黑洞,稱為人馬座A*。目前美國加州大學洛杉磯分校的天文學家發現,銀河系中有公轉周期小於20年的恆星,以橢圓軌道繞行銀河中心運動,目前已知恆星繞行周期最短的為11.5年(太陽繞銀河系轉一圈約2萬5千年)。

 天文學家相信這是恆星與黑洞交互作用下的結果,並可推測銀河系中大質量黑洞的空間結構(動態影像觀賞,可連結下列網站 http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/pictures/orbitsMovie.shtml)。而目前發現最大的黑洞位於NGC1277星系中心,約為170億個太陽質量。近來宇宙黑暗勢力的大熱門就屬「暗物質」與「暗能量」,大部分天文學家主張,目前所知的一般物質包含組成身體、星體的物質等,僅占整個宇宙約百分之四;其中大多數的物質是看不見的,稱為暗物質(dark matter)占整個宇宙百分之二十一,它是由某種奇特的、尚未發現的粒子所組成;而導致宇宙於60億年前加速膨脹的原因,則與一種神秘的暗能量(dark energy)有關,估計暗能量占了整個宇宙百分之七十五。

 人類對宇宙的認知隨著觀測與理論的發達,有了更進一步的認識,卻也發現我們認識的宇宙只是宇宙的一小部分。但是我們還是期待觀測技術持續進步,有朝一日揭開這些宇宙黑暗勢力的真面目。

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