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【特輯】為什麼黑洞長得像甜甜圈?十個關於黑洞的快問快答,來測測你跟黑洞有多熟!

PanSci_96
・2019/04/11 ・3162字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

「啊,好像貓眼似的。」「我看倒有點像甜甜圈。」這次的黑洞甜甜圈美照圈了不少黑洞粉,好似好似看過黑洞的照片就跟他很熟一樣。

過去因為黑洞的性質太奇怪,許多人包括愛因斯坦,都覺得他應該是不存在的物體。甚至有天文學家說在一九九八年評論道:「十年前,如果你在一個星系的中心發現一個你認為是黑洞的物體,業界中有一半的人會認為你是一個小狂人。」——(Douglas Richstone)

1979年巴黎天文台Jean-Pierre Lumine的手繪黑洞圖像。Source:Science| J.-P. LUMINET

在好不容易能看到他的現在,就讓我們來用快問快答,來測測你與黑洞之間的距離,證明我們才是從很早就開始追蹤、真正的黑洞粉絲!XD

你該不會連這都不知道吧?——基礎知識篇

「黑洞」指的是完全不發出任何光的物體。這一詞是怎麼來的呢?

A. 抬頭突然看到的
B. 算出來的

黑洞的觀念一開始是從理論上算出來的。1915 年,愛因斯坦發表廣義相對論,幾個月後德國的物理學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)在愛因斯坦的重力場方程式中,找到一個精確解。史瓦西的精確解導出所謂的史瓦西半徑,也就是一個不旋轉且不帶電的黑洞大小,在這個黑洞半徑內,任何東西都無法逃脫,包括光。

有趣的是,愛因斯坦不認為宇宙中真的有黑洞,他認為黑洞只是存在於相對論的觀念裡,是一個理論上算出來的東西。

所以答案是B

 

黑洞是會長大的!它是怎麼「進食」的呢?

A.慢條斯理
B.狼吞虎嚥

黑洞長大的速度是相當慢的,比較像是細嚼慢嚥的吃東西,不會一口氣吞掉一整顆恆星。而且絕大部分的恆星質量黑洞都是被餵大,並不是自己主動去爭搶食物。且伴星提供的物質並不會直接掉進黑洞,而是先在黑洞外圍形成吸積盤,再慢慢從吸積盤掉進進黑洞。

所以答案是A

 

太陽會變成黑洞嗎?

A.會
B.不會

理論上,只要把一個物體壓縮到它的史瓦西半徑以下,這個物體就會變成黑洞,地球和太陽的史瓦西半徑分別是 0.9 公分和 3 公里。假設把整顆太陽壓縮到半徑小於 3 公里,太陽就會變成一顆黑洞。

但不同質量的恆星演化到最後會有不同的結果。質量在 8 個太陽質量以下的中低質量恆星會塌縮成一顆白矮星;質量在 8 到 25 個太陽質量之間的恆星,最後會演化成一顆中子星;如果恆星的質量大於 25 個太陽質量,最終就會演化成黑洞。

我們的太陽在 50 億年後會演化成一顆白矮星,不會變成黑洞。所以答案是B

白矮星。圖/pixabay

 

哎呦,不錯喔?看來你是略懂略懂的黑洞系呢——進階知識篇

黑洞可以用來時空旅行嗎?

A.可以
B.母湯

即使時空旅行是真的可行,要進入黑洞以前還有幾個關卡要通過。科學家已經在宇宙中發現相當多的黑洞,但是到目前為止,還沒有發現一個白洞或蟲洞,所以利用黑洞和白洞之間的蟲洞來進行時空旅行,比較像是科幻小說的情節。

而且,黑洞有很強的重力,而且愈靠近黑洞,重力愈強。假設太空人頭上腳下的方向靠近黑洞,太空人腳部所受到黑洞的重力會比頭部還大,這樣的重力差異就是所謂的潮汐力,這會讓太空人的身體被拉長。重力差異愈靠近黑洞會愈明顯,太空人會愈拉愈長,最後變成麵條一樣細長。

所以答案…比較接近B的母湯

 

抬頭仰望星空,有多少黑洞呢?

A.一個都沒有
B.有好幾個億

利用錢德拉X射線望遠鏡通過外太空塵埃的間隙窺視天空,在可見宇宙的邊緣附近觀察到黑洞集,總共看到六百個黑洞。天文學家透過外推,估計在整個夜晚天空至少有三億個黑洞,答案是B,哇吼!

 

黑洞賭局:天鵝座 x-1 是黑洞嗎?

A.是
B.不是

1975 年,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和基普 · 索恩(Kip Stephen Thorne)曾經打賭,打賭的內容是到底天鵝座 X-1 到底是不是黑洞?

霍金打賭不是,而索恩則打賭是,贏的人可以獲得一年份的《閣樓》雜誌。這兩位天文物理學家都是黑洞的權威,霍金對黑洞提出新的想法,寫過《時間簡史》這本極受歡迎的科普書,索恩則是因為重力波的研究在 2017 年得到諾貝爾物理獎,另外索恩曾經在《星際效應》電影中擔任科學顧問,讓電影中的黑洞看起來更真實。

然後霍金就輸了,答案是A

原來這就是黑洞的模樣啊!——關於甜甜圈照片篇

本次觀測到的M87黑洞影像。 Photo credit: EHT Collaboration 

黑洞那麼黑,照片到底是怎麼拍出來的?

A.夠大的望遠鏡
B.好的黑洞模特兒

望遠鏡口徑越大,分辨天體的本領就越高強;藉由事件視界望遠鏡,我們能檢驗以往無法觀察的天文現象──例如黑洞。目前事件視界望遠鏡的主要觀測目標,為銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A* (Sagittarius A*),以及位於橢圓星系的超大質量黑洞M87(Messier 87,亦稱室女A)。

目前的事件視界望遠鏡,整體解析度已增強到足以分辨出月球上的一顆柳丁,而大質量的黑洞也是必須的。所以答案是A+B(喂XD

參與這次計畫的望遠鏡總共有幾台?

A.7個台站
B.8個台站

參與完成這項觀測的望遠鏡共有:阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA),阿塔卡瑪探路者實驗(APEX),IRAM 30米望遠鏡(IRAM),詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡(JCMT),大型毫米波望遠鏡(LMT),次毫米波陣列望遠鏡(SMA),次毫米波望遠鏡(ARO)、南極望遠鏡(SPT);其中,由中研院支援的有SMA、ALMA、JCMT。

但由於位置的限制,位於南極的SPT望遠鏡沒辦法觀測到M87,所以實際上是7台,答案是A

 

這張照片「洗」了多久?

A.一年
B.兩年

這次的照片是從2017年4月的觀測中,多台設備同時觀測和紀錄的數據所進行的分析。這幾個台站在五天的時間內共記錄了3500TB的數據,然後花了兩年的時間分析至今,才有我們現在能看的這張照片。

 

為什麼黑洞會像甜甜圈?

A.它本來就長得像甜甜圈啊!
B.黑洞本身的黑和陰影的亮光交織

黑洞本身是「黑」的,所以其實是看不到的,但是我們可以看到它的陰影。陰影的亮光,來自於黑洞周圍的吸積盤。

吸積盤本身會旋轉,而且其內緣(就像是CD片中心開孔的大小)還跟黑洞轉動的快慢有關。在黑洞附近的吸積盤轉動的非常快,因為都卜勒效應的關係,會讓迎面我們而來的那側的吸積盤比遠離我們而去的那側的吸積盤更為明亮。

可以看看以下的黑洞模擬影片:

所以說,你答對了幾題呢?

 

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都是星星惹的禍之「疫」薄雲天

臺北天文館_96
・2022/01/26 ・5008字 ・閱讀時間約 10 分鐘
  • 文/歐陽亮|天文愛好者,中華科技史學會會員,曾獲 2001 年尊親天文獎第二等一行獎,擔任 2009 全球天文年特展解說員。

疫情最近席捲了地球上的人類,擾亂了日常生活的規律。在這個戶外活動驟減與無法出門觀星的時刻,宇宙彼端那些遙遠的星辰們,是否也會像近來野生動物的「生態大爆發」一樣,紛紛蜂擁而出、顯現特別活躍的異象呢?

如果對宇宙尺度有些概念的人,就會知道這當然不可能。地球並不是宇宙中心,星星們怎麼會在意並企圖影響微塵般的地球呢?只不過古人並沒有被現代科學衝擊過,所以直覺上理所當然會認為地球是最重要的,其他星星的一舉一動都在暗示或警告著自以為萬物之靈的人類。於是,天文學跟疾病就有了交集,不論東方世界或西方世界都是一樣。

幾百年前,西方的占星術竟然是提供流行病爆發預報的唯一途徑。表面上看起來,這種預報似乎很有科學精神:他們先列出過去疾病大流行時刻,再與當時的天象進行比較,企圖找出兩者關係。[1]曾經在全球肆虐的黑死病,是歷史上致死人數最多的流行病,當時的占星學者就曾找出彗星、日食、木星合土星、或火木土三星在同方位等徵兆預言了這次災難。然而這有點像是現在的疫情指揮中心竟依照天空異象來發佈防疫警戒一樣荒謬,而這些預言也無法幫助那些被病魔纏身的人們脫離苦海。[2]

至於在東方的古代,中國的占星術除了預言各種宮廷禍亂與兵災饑荒之外,也可用來預測大規模的流行病,古人的字典《說文解字》說:「疫,民皆疾也。」《字林》則寫:「疫,病流行也。」都以「疫」來稱呼流行病,不過「疫」其實包含了許多種傳染病或流行病,例如鼠疫、瘧疾、天花、霍亂、流感等,占星書並沒有依病症去明確細分。現在我們當然不會再將這些預測當真,不過仍可藉此觀察一下古人會把哪些天象視為疫病徵兆,並且猜猜看為什麼會有這些聯想。

首先來看歷代正史有關「疫」的占辭。《史記.天官書》寫著「亢宿:亢為疏廟,主疾…氐為天根,主疫」(圖 1),但到了《晉書》、《隋書》、《宋史》就變成「亢宿主疾疫」,疾已擴張到疫的範圍。不過雖說亢、氐兩宿主疾疫,但是也有許多其他星官跟疫病有關。若不計牛馬等動物的疫情,就有以下幾十種天象預兆[3](二十八宿僅寫宿名,如牛宿寫為牛,但南方七宿的星宿則寫為七星):

  1. 日暈在亢、觜
  2. 月入犯牛、鬼、南河、人星
  3. 月食在壁
  4. 月暈在氐、尾、奎、柳
  5. 土星入鬼、昴、五車
  6. 火星入犯斗、鬼、井、守胃
  7. 金星入氐、犯鬼、守觜
  8. 水星犯守尾、七星、張、軫
  9. 木星守婁、觜、參、犯軫
  10. 彗星在亢、氐、人、大陵
  11. 妖星、長星出現(可能指彗星)
  12. 白色客星犯六甲
  13. 客星犯人、大陵、老人、守南河
  14. 赤流星入天市垣、犯木星
  15. 大陵中星繁

其中只有「大陵中星繁」較容易理解,因為陵指陵墓,其星若繁盛明亮就不太吉利,相較於其他天象算是比較直觀的。不過依亮度變化來占測吉凶,容易被大氣影響而難以判斷、不易應用。例如關於歷代北斗的占驗記錄只有月暈、彗星與流星,並沒有亮度的實際運用。

圖 1. 《史記.天官書》之亢宿與氐宿記載(圖右),兩星宿皆位於角宿東方(圖左) 圖/歐陽亮繪

至於日暈、月暈之類的大氣現象,在古代也被視為天文異象的一種(圖 2)。還有白蒼赤黑等各色雲氣,同樣能拿來占卜,它們也許是指大氣層內的雲霧、也可能是指極光。

圖 2. 《宋史》日暈占辭(圖右)與日暈照片(圖左)。圖/歐陽亮攝於臺北,2020 年 7 月 18 日上午 10 點

再來看古代占星術之集大成作品《開元占經》,這本由唐朝天文官瞿曇悉達所主持編纂的術書,保留許多東周時期恆星觀測數據,可視為中國最早星表[4],其記錄的星官位置與星數,依然對現在的天文史研究有幫助。而書中不常被關注的占星部份,與疫有關的占辭更是遠多於正史。[5]其中與正史重覆者包括:月暈在柳、月入南河、亢宿有彗星、木星守婁觜參、火星守胃入鬼、土入守鬼昴舍五車、金星犯鬼守觜、水星犯守尾七星軫、大陵星明、赤流星入天市垣等。

《開元占經》比較特別的是敘述了三種無疫情的徵兆:「亢星明大,民無疾疫」、「王良附路星明…萬民無疫癘之殃」、「潢星明」。由於星占的主要功能是預警,所以報憂的天象必然比報喜的數量多。另外卷九十三的季節錯亂現象則可能是曆法出現誤差所造成。

相較之下,淵源於魏晉時期的《三家星官簿贊》,只有從官與疾病有關,其他皆未提及病疫。唐代的《敦煌寫本》Pelliot chinois 2512 則提到亢宿「主疾,動,人多病」,但氐宿「主傜伇,動者,人伇苦」,與正史所主之「疫」變成同音不同字了(圖 3)。[6]其他與疾病相關的只有三個。

圖 3. 《敦煌寫本》Pelliot chinois 2512 所寫的亢氐兩宿,圖/法國國家圖書館

天文要錄》是一本類似開元占經的古書,由唐初的李鳳編撰[7],收錄了一些開元占經沒有的占星家占辭,例如昆吾、唐昧、挺生、公連、紫辨、三靈紀、勑鳳符表、九州分野星圖等。此書殘抄本在日本,且其中錯字非常多。它與開元占經的共同點是繁蕪瑣碎且矛盾,因為都是集各家占辭而成。

此書關於疫的占辭也遠超過正史[8],與正史相似的天象包括:月暈尾、辰星犯守尾、歲星守參、月守凌鬼、熒惑入舍居守鬼、填星入留舍守鬼、太白入留舍鬼、辰星守凌七星、大陵星繁、月行南河中、客星守南河等。若再跟正史與《開元占經》都有的天象相比,交集頗多(包括辰星犯守尾與七星、歲星守參、熒惑入鬼、填星入鬼、太白入鬼、大陵星繁、月行南河中等),原因是由於兩書其實有部份來源相同。

值得注意的是,《開元占經》與《天文要錄》同時記載了行星跑到天津、螣蛇、王良、閣道、文昌、北斗等星官(圖 4),甚至還能進入紫微與北極(圖 5)!而在南方竟然也可犯軍市、野雞、天廟等非常遠的星官。這是不可能發生的天象,因為這些星官離黃道至少 30 度。[9]目前已知五大行星大約都在黃道上下 10 度以內運行,若考慮東周時期測量誤差最多可達 7 度[10],並放寬為 10 度,兩者相加也頂多 20 度。兩千年前若真的有五星脫離黃道面南北各 30 度的劇烈變動,那麼現在我們應該難以預測它們的軌道。

圖 4. 天津、螣蛇、王良、閣道等星官距離黃道(左下方)至少 30 度。圖/歐陽亮繪
圖 5. 文昌、北斗、紫微與北極距離黃道(右下方)至少 30 度。圖/歐陽亮繪

除此之外,這兩本占書還描述了更詭譎的現象,變色、變暗、變不見都不稀奇,有個「卷舌」星官竟然能夠變直或舒張(圖 6)!若有同好親眼看見,請先確認是否認錯星或酒精濃度偏高,若都沒有,請趕緊拍照並連絡天文館。另外書中還有北斗晝見、月犯北斗、月掩北斗,也是令人驚異但不會出現的天象。

圖 6. 《天文要錄》的卷舌占辭(圖右),同一占辭在《開元占經》則寫為:「卷舌星曲如舌,即吉;舌直,天下多口舌之害」。卷舌星官位於五車旁。圖/歐陽亮繪

乙巳占》是由唐代傳奇人物李淳風所撰,但沒有他另一本預言著作《推背圖》有名。此書「採摭英華,刪除繁偽」,比起同時代的《天文要錄》或是稍晚數十年的《開元占經》都精簡許多,因為李淳風對占星術的看法比較有個性,認為「多言屢中,非余所尊」,並不尊崇靈驗,而是將之視為一種「權宜時政,斟酌治綱,驗人事之是非,托神道以設教」的輔政措施。若「天降災祥以示其變」,就是在提醒帝王修德以禳之。他還用「唯爾學徒,幸勿膠柱」來指導後學者,不過唐宋之後各種因素讓古占星術逐漸沒落,反而是占卜個人命運的另一種占星術風行起來,這應該是李淳風預想不到的吧?

此書刪去許多不可能發生的凌犯[11],有關疫病者也較少,其中與正史相近的天象包括:月犯鬼、熒惑守胃、熒惑入鬼、太白入氐入鬼、彗星出氐。相同於前述兩書與正史交集者,只有熒惑入鬼、太白入鬼兩筆。這也許是由於鬼宿的字面意思所造成的聯想?

占星術是統計學嗎?

地球上常有疾病流行,天上也常出現古書所寫的疫病徵兆,兩者皆五花八門不可勝數,而正史與占書都記載過的「疫」象交集,就一定跟疫情有顯著關連嗎?其實,統計上常常有看似相關卻沒有因果關係的例子,若不問因果,只是強行找出相關性,有時候反而會被誤導得更嚴重。占星的原則是「凡天變,過度乃占[12],只對異象占卜,不占卜經常出現的,否則各種災變就會有難以置信的週期性,降低占星家自己的可信度。不過在某些週期尚未發現前,古人就先用來占卜了,例如《開元占經》蒐集的古籍資料中就有許多行星逆行或守於某宿,但對於現代人來說,只是再平常不過的現象罷了。

另外,占辭會依星官重要性而設定,因此遠離黃道的重要星官(如北極)也會有五星凌犯占辭,而在黃道附近但不重要的小星官就不太記載五星犯守了。這很明顯地說明,號稱是大數據資料庫的占星術並不是依靠曾經發生過而記錄下來的統計,而是占星家為了用異象占卜,憑空想像出五星犯紫微或北極等過度奇異的天象。科學最基本的原則是「符合觀測」,但是這些古書顯示,占星術並沒有達到這個標準。[13]書中許多聳人聽聞的災禍,就像現在網路上容易被轉傳的疫情謠言一樣,都是不知真假、難以查證、讓人看到的當下常震驚到「不能只有我看到」。你想要相信純粹想像而非統計出來的古書,還是不斷依觀測而修正的科學呢?

附註

  1. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,遼寧教育出版社,2005,頁 193。
  2. 江曉原《12 宮與 28 宿:世界歷史上的星占學》,頁 131。
  3. 各正史之原文詳列於此連結,至於形容行星運動之「近犯合乘出入居處宿舍留守」等現象可參考盧央《中國古代星占學》,中國科學技術出版社,2007,頁 403~405。
  4. 潘鼐《中國恆星觀測史》,上海學林出版社,2009,頁 77。
  5. 《開元占經》相關占辭資料詳列於此連結
  6. 資料來源:法國國家圖書館
  7. 此書記錄了兩筆甘氏星官觀測數據,說明甘氏星表曾經存在。詳見潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 99。
  8. 天文要錄》相關占辭資料詳列於此連結
  9. 上述星官即使因歷代變遷,位置也未曾偏移超過 20 度以上。接近星官創始期的石氏星表雖然曾被質疑是後人在唐代才測得,但仍可比較唐宋之際星官改變,詳見《所謂名字,能流傳多久不變?古星象流傳千年的轉變─石氏星表與宋代星表之比較》。比較結果可發現,兩星表的星官變化不大,故不是星官變遷所造成的問題。
  10. 潘鼐《中國恆星觀測史》,頁 32。
  11. 此書註解指出:「攝提非月行之所及」,因為攝提距離黃道 20 度,不過無法確定註解是否本人所作。《乙巳占》相關占辭資料詳列於此連結
  12. 語出司馬遷《史記.天官書》。
  13. 即使有部份占辭真的應驗,也可能是被人為處理過、或事後諸葛找出的對應關係,詳見趙貞《唐宋天文星占與帝王政治》,北京師範大學出版社,2016,頁 278。

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