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星星一定在動嗎?──《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》

星星一定在動?

好, 今天我想來談談暗物質。在進入主題之前, 我想請大家回想一下上一回說過的牛頓「運動定律」。牛頓思考「為什麼星星不會掉到地球上」,想出了「因為它在動」的答案。

如果停止運動, 就會掉下來。例如,這是人造衛星墜落地球前的狀態,但它並不是以靜止狀態飄浮在地球上空。因為重力一直在運作,一旦靜止的話,最後一定會朝著地球墜落。它沒有墜落,就是因為它相對(或是抵抗著?)重力朝某方向在運動。

人造衛星之所以沒有墜落到地球上,就是因為它持續相對著重力朝著某方向運動。

這個圖的狀況,人造衛星正好繞著地球周圍打轉。它飛行的運動,與重力巧妙的維持均衡,所以不會掉落下來。它拚命的運動以避免墜落。請各位記住,重力與運動永遠互為表裡。重力發生作用的地方,物體在運動。反言之,如果有天體在運動,那就是重力發生作用。

記住這個法則,今天講述的內容就會比較容易理解。

離太陽越近,公轉速度越快,離得越遠越慢

那麼我們先來想想太陽系行星的公轉運動吧。太陽在正中央,行星繞著它的周圍旋轉(圖 56 ☞)。行星不會朝著太陽墜落,是因為它保持著某個速度。而且越接近中心的星球,應該旋轉得越快。事實上水星旋轉的速度驚人的快,而最外側的海王星則是個慢郎中。

【P239-圖56】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

距離中心越遠,公轉速度越慢─我們做個圖表看看吧(圖 56 ☛)。縱軸是「速度」,橫軸是「與太陽的距離」,輸入各別行星的速度之後,就會形成這樣。離太陽近的行星速度快,距離遠的速度慢。原因是離太陽越近,受到它的重力影響越大。重力正是公轉的原動力。請牢記,畫成圖表的話,可以描出這樣的曲線。

依據這個原理,我們再來看看星系吧。

這是仙女座星系(圖57)。大和宇宙戰艦的目的地─位於我們銀河系的隔壁,所以經常看得到它的名字。

從側面來看這個星系的話,會呈現這種形狀(圖 57 ☞)。上面照片中的中央也是圓圓隆起的樣子,而且非常明亮。為什麼會這樣呢?因為正中央聚集了大量的恆星,周圍的星球則是呈圓盤狀散開的關係。

這就是被稱為「螺旋星系」的特徵,而中央星球聚集的地方,叫做「核球」(bulge=凸出),而周圍叫做「盤面」(disk=圓盤)。從亮度的分布來推測,絕大多數的星球都集中在核球,周圍的盤面沒什麼星球。星系的結構就是這樣。

星系的自轉速度很奇怪……

接下來我們來思考一下星系的運動吧。看上去,星系是靜止的,但是仔細觀測一下,就會知道它也在旋轉。星系聚集了大量恆星,當然是重力在運作的關係。如同一開始時我說過的,重力運作的地方,星球會恆常的運動。如果運動停止的話,就會朝著核球落下,所以它必定在旋轉。

再來思考盤面上星球的運動吧(圖58)。這些星球以多快的速度在運動呢?我們來測量一下它們個別的旋轉速度。

【P243-圖58】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

有一位學者叫做薇拉.魯賓(Vera Rubin),就真的做過這個測量──她是上一次講到的伽莫夫(George Gamow)的學生──這位科學家使用的方法,是都卜勒效應。前一次也介紹過,這是波必定會出現的現象,遠離時波長會拉長。以光來說,「波長拉長」的意思,在顏色上會往紅色方向(紅移)移動。測量它的偏移量,就可以測得星球的速度─這是上一回講義中說過的。魯賓就是用這種方法,測量盤面上的星球速度。

預測的狀況是這樣(圖 58 ☚),照理說,越接近核球,速度越快吧?因為幾乎所有的質量都凝聚在核球,所以它應該和太陽系一樣,越近越快,越遠越慢。若不是如此就有問題了。

可是……

但實際上這位學者發現了一個驚人的現象,不論內外,所有星球的旋轉速度幾乎都一樣。(圖 59 ☜)即使距離中央十分遙遠,速度卻不變。照理說,越往邊緣走,速度會越慢才對。速度沒有變慢,恐怕是發生以下這種狀況,即本來以為星球凝聚在核球,而周圍的盤面幾乎呈現沒有星球的狀態,但似乎不然,難道是有星球以外的物體,以「黑」的狀態密集分布在周圍嗎?(圖 59 ☚)這裡應該有一些具有大質量的無法以光看見的物質吧……

這個以「黑」顯示的領域稱為「銀暈」(halo=光暈)。密集在銀暈中的某物──一般認為就是暗物質,就是今天的主角。「halo」這名字滿可愛,但卻是「黑暗的」。

這是宇宙的一個謎,今天就要來說說這個謎。

球形的笨蛋!

這一位是科學家茲威基(Fritz Zwicky,圖 60)。他是超新星的專家,從他的名字弗里茨,很多人會以為,他是德語系的人,其實他是瑞士人,在美國做研究。

【P247-圖60】跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞!

據說,他是個頑固老爹,可能因為自詡聰明,所以常常對人大聲責罵。罵人的方法也變化多端。但他最喜歡的一句,卻是「球形的笨蛋」。為什麼是「球形」呢?這表示不論從哪個角度看都是笨蛋的意思……算是個不夠聰明還會意不來的玩笑。德國常常有這類玩笑話,需要轉個彎想才會明白,但一點都不好笑。

剛才的那位魯賓在 70 年代時,曾研究過星系的旋轉速度,得出「好像有暗物質」的結論。但是這位茲威基卻在她 40 年前──也就是一九三○年代,就發現了這個驚人的現象。當時的時代既沒有「暗物質」這個名稱,連概念都沒有。但這位學者並不是研究星系中一顆顆恆星的旋轉運動,他研究的是星系本身的動態。

這個圖是「后髮星系團」,其中發出朦朧光線的圓盤狀物體,每一個都是一個星系(圖 60),集合了大量星系的天體叫做星系團。既然每一個圓盤都是星系的話,質量當然大得不得了。質量大的星系大量聚集─聚集歸聚集,但也有著相當的距離─會產生無法想像的重力。既然重力在運作,當然就會運動。茲威基便因此研究起星系團的運動。

運用牛頓的運動定律,計算速度,就可以估算出質量。若要對一個一個星系縝密的計算,需要極困難的演算,但是有一種匯總這種問題的學問,叫做統計力學,使用它就能比較簡單的求得。

為星星取你的名字送給你

對了,為什麼會取「后髮座」這個名字呢。星座的取名最初是從「把某顆星和另一顆星連起來,變成某種形狀」的方式開始的,但世界各地都有不同取法,很容易造成混亂。所以某一時候決定做個統一,國際天文學會的組織決定了哪裡是獅子座,哪裡是小熊座─雖然怎麼看也不像小熊啊─長得像「后髮」的說法也很玄奇,不過,那個組織就決定了「后髮座」的名字。

再說件不相干的事。天體中只有星座和一等星會取名字。各位應該也有聽過織女星或是牛郎星吧,但是二等星以下基本上沒有名字。二等星中有取名的,只有北極星,其他的都是無名星,你可以任意幫它們取名。

因為這個原因,還興起了一門生意。有人以「為星星取你的名字送給你」作為宣傳,只要付一筆錢,就能拿到認定書之類的證明。但實際上並沒有得到國際天文學會的承認,只是隨便任意取名而已。其實不用花錢,自己隨便幫一顆星取名也是一樣。那種手法只是欺騙不懂內情的人罷了。


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你一定聽過黑洞、時間旅行、暗物質、蟲洞、希格斯粒子、空間扭曲、相對論……但你真的「知道」那是什麼嗎?快跟著《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》吧!(本書為聯經出版

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