8400萬的震撼—迄今最龐大的銀河核球星表

浩瀚的宇宙當中，除了外星人，還有什麼奇特的天文現象讓渺小的人類感到敬畏又謙卑？雙星、白矮星、夸克星、中子、脈衝星、超新星、黑洞、暗物質 ⋯⋯ 這些在媒體和電影中不斷出現的名詞，究竟是怎麼回事呢？

頂尖天文物理學家總想要突破人類智識和儀器的限制，探索遙遠光年以外、百億年前的這些天文現象，他們窮盡心力和努力，發現了一個又一個奇妙的星體和行為，花費了各國納稅人大量金錢把科學儀器的靈敏度操至極限 ── 獲得的知識可不能只有科學家知道。

大忙人專屬的天文科普書

即使我算是科學工作者，想讀懂天文物理這麼高深莫測的學科，不但不輕鬆還可能會要命；但有一本科普書，竟然夠膽談這個深奧的領域，而且還說是寫給大忙人讀的（不管勞基法怎麼修，有誰不是過勞的大忙人？）。

這本短小輕薄的《宇宙必修課：給大忙人的天文物理學入門攻略》(Astrophysics for People in a Hurry) 是《紐約時報》排行榜暢銷書，作者泰森 (Neil deGrasse Tyson) 是美國知名科普作家。這本書從宇宙的誕生談起，從科學上所知最遙遠和久遠的故事，談到我們壓根兒完全無頭緒的暗物質和暗能量。因為天文物理學裡，有太多現象和理論脫離我們日常的經驗和直覺，非常需要想像力，也正因如此，天文物理學有獨特的魅力，讓科幻小說和影劇作品可以大顯身手。

我們還不知道是否有外星人，即使有也應該和我們身處在同一個宇宙、受到相同的物理定律支配。牛頓的宇由機械觀，劃時代地告訴了我們，物理學無論在地球上或是宇宙任何角落，都是普遍適用的。所以天文物理學家才能夠宅在辦公室、研究室和天文台中，研究分析成千上萬光年外和百億年前的宇宙大事。

宇宙中有許多光，我們肉眼看不見，卻能由高明的科學家用精密的儀器偵測。嚴格來說，無線電波、微波、紅外光、紫外光、X 射線、伽馬射線等等都是不可見光。在宇宙中，這些光源能告訴天文物理學家許多精彩的故事。我很肯定研究這些不可見光的物理學家的心思，都全心全意放在工作中，因為我有位研究微波的物理系朋友，最常幹的傻事之一，就是把金屬便當盒拿進微波爐裡試圖微波加熱 ⋯⋯

因為我是城市裡長大的小孩，過去讀到古人對銀河系的描述，總是覺得不可思義，因為家中望出去的夜空，只有幾顆星，最亮的還是「愛的普羅星」。直到在美國加州唸博士班，和實驗室伙伴一起去遠離塵囂的國家森林中露營，淩晨三、四點在被窩中讓老闆強迫拖出去看星空，我才知道原來古人真的沒唬爛，銀河系是真的用肉眼就能看到的。

我們現在也知道，銀河系僅是眾多星系中的一個，古印度人早就有這樣的認知，佛典《世記經》記載道：

如一日月周行四天下，光明所照。如是千世界，千世界中有千日月、千須彌山王、四千天下⋯⋯千四天王、千忉利天、千焰摩天、千兜率天、千化自在天、千他化自在天、千梵天，是為小千世界。如一小千世界，爾所小千千世界，是為中千世界。如一中千世界，爾所中千千世界，是為三千大千世界。如是世界周匝成敗，眾生所居，名一佛剎。

天文物理學家現在知道的當然更精確多了，不僅知道許多星系，而且還知道星系際間有極高能量的宇宙射線，以及虛粒子海和不斷生滅的物質與反物質對。但最讓人困擾的，應該是所謂的「暗物質」吧？暗物質是科學家窮盡所有最頂尖的先進設備都偵測不到的東西，科學家也只能用各種旁敲側擊的方法得知暗物質的存在，可是捉摸不到它們。

愛因斯坦的敗筆？！宇宙常數 Λ

除了暗物質讓天文物理學家夠頭痛，雪上加霜的是還有所謂的「暗能量」，這聽起來就應該是科幻小說家和電影編劇可以用來大作文章的吧？暗能量究竟又是哪來的？這要拜愛因斯坦所賜，另一本科普書《完美的理論：一整個世紀的天才與廣義相對論之戰》(The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle over General Relativity) 對這故事有更詳細的描述（請參見【Gene思書齋】完美的相對論）。簡單來說是愛因斯坦在發表了劃時代的廣義相對論後，他相信宇宙是靜態的不會膨脹，因此多此一舉地在宇宙模型中加了個「宇宙常數 Λ」(cosmological constant) ── 有人視此為他一生中最大的敗筆之一。

《宇宙必修課》卻指出，柳暗花明又一村，愛因斯坦長辭於世後，理論物理學家為了解釋新發現的現象，為了解釋宇宙的加速膨脹，讓宇宙常數 Λ 峰迴路轉地復活。也就是說，愛因斯坦弄出個宇宙常數 Λ 是為了符合他認定的靜態宇宙想法，現在理論物理學家反而用宇宙常數 Λ 來解釋宇宙的加速膨脹，還有比這更諷刺的嗎？不過加入宇宙常數 Λ 之後，科學家又發現：宇宙全部能量當中，居然有七成是他們無法理解的暗能量啊！

我們所居住的地球是球形的，其他星球也是，天文物理學家當然有理所當然的解釋，泰森提到一個科學界的知名笑話「球形乳牛」(Spherical cow)：
牛奶農場的牛奶產量變得很低，於是農場主寫了封信給當地的大學尋求幫助。一個多元並受過訓練的教授隊伍集合在一起，領頭的是一個理論物理學家。進行兩個星期的深入現場調查後，學者們回到大學，筆記寫滿了資料，將此次任務的報告交給了教授隊伍為首的理論物理學家。這名理論物理學家回到農場，對農場主說：「我有解決方案了，只是要在真空狀態下且乳牛是球體的時候才有效。」

星球不僅是球形的，行星也會以近乎圓形的方式繞恆星轉。雖然哥白尼和伽利略主張的日心說不符合當時教會的正統思想，可是抵擋不了的歷史洪流卻製造出愈來愈多的科學知識，太陽並沒有繞著地球轉（只有直昇機父母還以為全宇宙都該繞著自己的媽寶小孩轉）。我們現在知道地球不僅不在宇宙的中心，連太陽系都不在銀河系的中心。銀河系也不在星系團的中心，我們這個星系團也不在宇宙的中心，所以不要再人類中心主義了！

可是畢竟寫書和讀書的都是人類啊，如果沒有人類，以上提到的種種又有何意義可言？所以在天文物理學的書中，我們勢必要探討生命在宇宙中起源的問題，還有面對我們這顆珍貴到不行的地球。

泰森想要告訴我們，「要有宇宙觀！」如果全人類都有宇宙觀，我們在地球上就不會為了區區小事就爭得你死我活了吧？和浩瀚無邊又源遠流長的宇宙相比，我們這白駒過隙又井底之蛙的一生有什麼好執著和庸庸碌碌的呢？

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】，並同步刊登於 The Sky of Gene。

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

因為黑洞的性質太奇怪，一直到二十世紀九○年代，人們還認為它們的存在是科幻小說。密西根大學的天文學家道格拉斯．瑞奇史東（Douglas Richstone）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。」

自那以後，通過哈伯太空望遠鏡、錢德拉X射線望遠鏡（測量強大恆星和銀河源發出的X射線）和巨型陣列電波望遠鏡（由一系列在新墨西哥強大的電波望遠鏡組成），天文學家在外太空識別出幾百個黑洞。事實上，很多天文學家相信，天空中的大多數星系（在它們的盤形中心有核心膨脹）在它們的中心有黑洞。

正如預計的，在天空中發現的所有黑洞旋轉得非常快。哈伯太空望遠鏡對某些黑洞進行了計時，發現它們以每小時一百萬英里［一六○萬九千三百公里］的速度在旋轉。在最中心，我們看到一個扁平的圓形核，直徑大約一光年。核內有事件視界和黑洞本身。

因為黑洞是看不見的，天文學家不得不利用間接的方法驗證它們的存在。在照片上，他們設法識別黑洞周圍漩渦氣體的「吸積盤」。天文學家現已收集到這些吸積盤的美麗照片。（這些盤狀物幾乎是普遍在宇宙中快速旋轉的物體中發現的。甚至我們的太陽在四十五億年前形成時，它的周圍也有一個類似的盤狀物，後來這個盤狀物濃縮成行星。這些盤狀物形成的原因是，它們代表了某個快速旋轉的物體能量的最低狀態。）

利用牛頓運動定律，知道了繞中心物體旋轉的星星的速度，就能計算中心物體的質量。如果中心物體的逃逸速度等於光速，那麼光線也不能逃逸，這就間接證明了黑洞的存在。

事件視界位於吸積盤的中心。（不幸的是它太小了，用現代技術還無法確認。天文學家富爾維奧．梅利亞〔Fulvio Melia〕聲稱：在底片上捕捉一個黑洞的事件視界是黑洞科學的最高成就。）不是所有落入黑洞的氣體都通過事件視界。有些從事件視界的旁邊經過噴射到空間，形成兩個長的、從黑洞北極和南極噴出的噴射氣體。這使黑洞的外觀像一個陀螺。（從南北極噴出的原因是：當濃縮星星的磁場線變得更強烈時，磁場線集中在北極和南極。當星星繼續濃縮時，這些磁場線濃縮成從北極和南極放射的兩個管。當離子落入濃縮的星星時，它們沿著這兩個狹窄的磁力線，通過磁場北極和南極噴射出去。）

已確認出兩種類型的黑洞。第一種是恆星黑洞，在恆星黑洞中，重力將把正在死亡的星星壓垮，直至發生內向爆裂。然而，第二種黑洞更容易察覺。這些是星系黑洞，它們潛伏在巨大星系和類星體的正中心，比太陽質量大一百萬倍到幾十億倍。

近來，在我們自己的銀河系中最終找到一個黑洞。不幸的是，塵雲遮住了銀河的中心，要不是這個原因，在地球上每天晚上往人馬座方向看，我們會看到一個巨大的火球。沒有塵雲，銀河系中心的亮度會超過月亮，成為夜晚天空最明亮的物體。在這個星系核的最中心有一個黑洞，重量大約為太陽的二五○萬倍。說到它的尺寸，大約是水星軌道半徑［五，八○○萬公里］的十分之一。按照星系的標準，這不是特別大的黑洞。類星體的黑洞的重量可以是太陽重量的幾十億倍。我們後院的這個黑洞目前是相當穩定的。

下一個離我們最近的星系黑洞位於仙女座星系的中心，這是離地球最近的星系，黑洞質量為太陽的三百萬倍。它的史瓦西半徑大約是六千萬英里［九，六五六萬公里］。（在仙女座星系的中心至少有兩個大質量的物體，大概是幾十億年以前被仙女座星系吞噬的星系留下的。如果幾十億年後銀河系最終與仙女座星系相撞，我們的星系大概將被吞噬到仙女座星系的「胃」裡，這種情況看來有可能出現。）

星系黑洞最美麗的照片之一是哈伯太空望遠鏡拍攝的NGC 4261星系的照片。在過去，這個星系的電波望遠鏡照片顯示兩個從星系北極和南極噴出的非常優美的噴射物，但是沒有人知道它的機制是什麼。哈伯太空望遠鏡拍攝了這個星系最中心的照片，發現一個範圍為四百光年的美麗盤狀物。在它的最中心是一個包含吸積盤的小點，吸積盤的範圍大約一光年。哈伯太空望遠鏡看不見的中心黑洞重量約為太陽的十二億倍。

像這樣的星系黑洞是如此之強大，它們能夠消耗掉整個星星的能量。二○○四年，美國國家航空暨太空總署（NASA）和歐洲太空總署宣佈：他們發現在遙遠星系中的一個巨大黑洞一口吞掉了一顆星星。錢德拉X射線望遠鏡和歐洲XMM─牛頓衛星觀察到同一個事件：RX J124211星系發出的X射線的爆裂標誌著一顆星被中心的巨大黑洞吞噬了。

這個黑洞的重量估計為太陽質量的一億倍，巨大的重力使這顆星扭曲和伸展，直至破裂發出X射線的爆裂，向人們洩露它的秘密。德國加興的馬克斯．普朗克研究所的天文學家斯特凡尼．科莫薩（Stefanie Komossa）說：「這顆星星被拉伸超出了它的破裂點。這顆不走運的星迷路了，走錯了地方，跑到了這個黑洞的附近。」

黑洞的存在有助於解決很多古老的秘密。例如，星系M87一直使天文學家感到奇怪，它看上去像一個大質量的星球，帶一個奇怪的「尾巴」。因為它發出大量的輻射，天文學家曾經認為這個尾巴代表反物質流。但今天，天文學家發現它是由巨大黑洞提供能量的，這個黑洞的質量大約為太陽質量的三十億倍。現在相信這個奇怪的尾巴是巨大的離子噴射，它是從這個星系流出的，而不是流進星系的。

有關黑洞最壯觀的發現之一是錢德拉X射線望遠鏡的發現。它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。

本文摘自《平行宇宙》。本書由暖暖書屋出版社出版。

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

一七八三年，英國天文學家約翰．米契爾（John Michell）第一個想到：如果一顆星星變得如此之大，以至光線也不能逃離，將會發生什麼。我們知道任何物體有一個「逃逸速度」，即克服它的重力牽引的速度。（例如，對於地球來說，逃逸速度是每小時二萬五千英里〔四○，二三三．六公里〕，為了掙脫地球的重力，任何火箭必須達到這個速度。）

米契爾想：如果一顆星星的質量變得非常大，以至它的逃逸速度等於光速會發生什麼。如果重力是如此巨大，什麼也跑不出去，連光也跑不出去，因此這個物體從外部世界看是黑的。因為它是看不見的，所以要想在空間中找到這樣一個物體，從某種意義來說是不可能的。

米契爾的「黑星」問題被遺忘了一個半世紀。但是在一九一六年它又重新浮上水面，一位在德國軍隊服務、在俄羅斯前線作戰的德國物理學家，卡爾．史瓦西（Karl Schwarzschild）發現了愛因斯坦方程式大質量星的精確解。愛因斯坦非常吃驚史瓦西能夠在槍林彈雨中找到他複雜張量方程式的解。他同樣吃驚史瓦西的解有奇特的性質。

從遠處看，史瓦西的解代表一個普通星星的重力，並且愛因斯坦很快地利用這個解，計算圍繞太陽的重力，查核他早期做的近似計算。為此他終身感謝史瓦西。但是史瓦西的第二篇文章指出：在一個質量非常大的星的週邊，有一個虛構的、有著奇異特性的「魔球」。這個「魔球」是不可返回的極限點。任何一個經過「魔球」的人將立刻被重力吸到這顆星星中，別人就再也見不到他了。甚至光線掉進這個球也不能逃離。史瓦西沒有了解到：透過愛因斯坦方程式，他重新發現了米契爾的黑星。

下一步，他計算了這個「魔球」的半徑（叫做「史瓦西半徑」〔Schwarzschild radius〕）。對於一個像我們太陽這樣大小的物體，魔球大約三公里（約二英里）。（對於地球，它的史瓦西半徑大約一公分。）這意味著如果我們能將太陽壓縮到二英里，它就會變成黑星，經過這個不能返回的極限點的任何物體都會被它吞食掉。

實際上，魔球的存在不會引起問題，因為不可能將太陽壓縮到二英里的尺寸。還不知道有什麼機制能產生這樣奇異的星。但理論上，它是一個災難。儘管愛因斯坦的廣義相對論可以產生燦爛的結果，如光線繞太陽的彎曲，然而當離魔球距離很近時，重力變得無限大，該理論失去了意義。

一位荷蘭物理學家約翰．德羅斯特（Johannes Droste）指出，該解答比人們能夠想到的還要古怪。根據相對論，當光線跑過這個物體的周圍時，它將嚴重地彎曲。事實上，當光線經過距離這顆星星一．五倍史瓦西半徑的地方時，光線將環繞這顆星星以圓形軌道運行。德羅斯特指出，當光線環繞這些大質量星星時，按廣義相對論預計的時間扭曲比狹義相對論預計的要大得多。

他指出：當你接近這個魔球時，遠處的人會說你的鐘變得越來越慢，當你碰到這個物體時你的鐘完全停止。事實上，外界的人會說，當你到達這個魔球時你的時間凍結了。因為在魔球中時間會停止，因此有些物理學家相信這樣奇異的物體在自然界不會存在。讓事情變得更加有趣的是，數學家赫爾曼．魏爾（Herman Weyl）指出，如果我們研究魔球內部的世界，似乎在它的另一側存在一個另外的宇宙。

所有這一切都是這麼離奇，甚至愛因斯坦也不能相信它。一九二二年，在巴黎的一次會議上，數學家雅克．阿達馬（Jacques Hadamard）問愛因斯坦：如果「奇異點」是真的，也就是說如果在史瓦西半徑處重力變得無限大，會發生什麼事情？愛因斯坦回答道：「對於這個理論來說，它將是一個真正的災難，事先很難說實際上它會不會發生，因為公式不再適用。」愛因斯坦後來將此叫做「阿達馬災難」。

但是愛因斯坦認為所有這些關於黑星的辯論是純粹推測的。首先，沒有人看到過這樣奇異的物體，也許它們不存在，也就是說它們是非實際的。此外，如果你掉進一顆黑星，你就會被擠扁壓死。因為人們絕對不可能通過魔球（因為時間停止了），所以絕沒有人能進入這個平行宇宙。

在二十世紀二○年代，這個問題使物理學家完全困惑。但是在一九三二年，大霹靂理論之父喬治．勒梅特做出了一個重要的突破。他指出：魔球根本不是奇異的，而是由於選擇了不合適的數學公式引起的幻覺。（如果選擇不同的座標或變數考察魔球，奇異點就消失了。）

宇宙學家H．P．羅伯遜（H. P. Robertson）用這個結果重新考察德羅斯特原來在魔球中時間會停止的結果。他發現，只有在觀察者從有利位置觀察火箭船進入魔球時，時間才停止。從火箭船本身的有利位置觀察，重力只需要幾分之一秒就會將你吸入魔球。換句話說，空間旅行者會非常不幸，當他通過魔球時他發現自己被立即擠扁壓死，但是對從外界觀察的觀察者來說，這個過程似乎用了幾千年。

這是一個重要的結果。它意味著魔球是可以達到的，不再是一個數學畸形而被排除。人們不得不認真考慮，如果從魔球中穿過會發生什麼。於是物理學家計算穿過魔球的旅行會是什麼樣子。（今天魔球被稱為「事件視界」〔event horizon〕。「視界」指的是可以看到的最遠點。此處指光線能夠傳播的最遠點。事件視界的半徑叫做史瓦西半徑。）
當你乘火箭船接近黑洞時，你會看到在幾十億年前被黑洞捕捉的光線，回到黑洞開始產生的時候。換句話說，黑洞的生命史將展示在你面前。當你離得更近時，重力會逐漸將你身體的原子撕裂開，直到你身體的原子的核也被拉成義大利麵條的樣子。穿越事件視界是一條不歸之路，因為重力是如此強烈，你最終將被吸到黑洞的中心，被擠垮壓碎。一旦到了事件視界的內部，就再也沒有機會返回。（要想離開事件視界，除非你比光跑得還要快，但這是不可能的。）

一九三九年，愛因斯坦寫了一篇文章想排除這種黑洞，他聲稱這些黑洞不能靠自然過程形成。愛因斯坦首先假定，星星是從一個球形範圍內旋轉的塵埃、氣體和碎片開始的，在重力作用下逐漸聚在一起。愛因斯坦然後指出，這些渦旋的粒子集絕不會收縮到它的史瓦西半徑範圍內，因此絕不會成為黑洞。這些渦旋的粒子最多能夠達到一．五倍史瓦西半徑的地方，因此黑洞絕不會形成。（要進入低於一．五倍史瓦西半徑，就要比光還要跑得快，這是不可能的。）他寫道：「該研究的基本結果是要清楚地理解為什麼『史瓦西奇異點』（Schwarzschild singularities）在物理現實中不會存在。」

亞瑟．愛丁頓也對黑洞持深深的保留意見，一生都在懷疑它們是不是存在。他曾經說：「應該有一個自然定律防止星星出現這種奇怪的方式。」

與此相反，在同一年，羅伯特．奧本海默（他後來製造了原子彈）和他的學生哈特蘭．史奈德（Hartland Snyder）指出：黑洞的確能夠透過其他機制形成。

他們不是假定黑洞來自渦旋的粒子在重力下聚集，他們的出發點是一顆老的、大質量的星，用完了它的核燃料，因此在重力作用下內向爆裂。例如，一顆正在死亡的質量為太陽四十倍的巨星，可能耗盡了核燃料，被重力壓縮到八十英里［一二八．七五公里］的史瓦西半徑範圍內，最終瓦解形成黑洞。

他們認為黑洞不僅是可能的，也許還是星系中幾十億顆正在死亡的巨星的自然終點。（奧本海默在一九三九年提出的這個向內爆裂的思想，也許鼓舞了他在幾年之後將內向爆裂的思想用在原子彈上。）

本文摘自《平行宇宙》。本書由暖暖書屋出版社出版