天文學家發現尺度最大的宇宙結構

• 作者／豪爾赫．陳、丹尼爾．懷森
• 譯者／徐士傑、葉尚倫

如果我被吸進黑洞會怎麼樣？

很多人似乎都有這個疑問。

「進入黑洞後會發生什麼事呢？」在許多科學書籍中都有提到，也是我們聽眾和讀者經常提出的問題。但是為什麼大家對這問題特別有興趣呢？難道公園裡處處都是黑洞？或是有人計畫在黑洞附近野餐，但又擔心放任他們的孩子在旁邊跑來跑去會發生問題？

可能不是。這個問題的吸睛度與實際上會不會發生無關，而是源自我們對迷人太空物體的基本好奇心。眾人皆知，黑洞是神祕莫測的奇怪空間區域，是時空結構中與宇宙實體完全脫節的「空洞」，任何東西都無法逃脫。

不過，掉入黑洞是什麼感覺呢？一定會死嗎？和掉進普通洞裡的感覺有什麼不同？你會在洞內發現宇宙深處的祕密，還是看到時空在你的眼皮子底下伸展開來？在黑洞裡面，眼睛（或大腦）能正常發揮功能嗎？

只有一種方法可以找到答案，那就是跳進黑洞。所以抓起你的野餐墊，和你的孩子說聲再見（也許是永別），然後牢牢抓緊，因為我們即將深入黑洞公園展開終極冒險。

接近黑洞

當你接近黑洞時，注意到的第一件事可能是，黑洞確實看起來就像「黑色的洞」。黑洞是絕對黑色，本身完全不發射或反射光線，任何擊中黑洞的光都會被困在裡面。所以當你觀察黑洞時，眼睛看不到任何光子，大腦會將其解釋為黑色。

黑洞也是個不折不扣的洞。你可以將黑洞視為空間球體，任何進入黑洞的東西都會永遠留在裡面。這是因為已經留在黑洞內的東西所造成的重力效應：質量在黑洞中被壓縮得十分密集，進而產生巨大的重力影響。

為什麼？因為離有質量的東西愈近，重力愈強，而質量被壓縮代表你可以十分靠近質量中心。質量很大的東西通常分布得相當分散。以地球為例，地球質量大約與一公分寬（大約一個彈珠大小）的黑洞等同大小。如果你與這個黑洞距離一個地球半徑長，感受到的重力就如同站在地球表面一樣，都是 1g。

但是當你分別接近兩者中心時，會發生截然不同的狀況。當你愈靠近地球中心點，愈感覺不到地球重力。那是因為地球圍繞著你，把你平均的往各個方向拉。相反的，當你離黑洞愈近，感受到的重力愈大，因為整個地球質量近在咫尺的作用在你身上。這就是黑洞強大的威力，超緊緻質量對周圍事物立即產生巨大影響。

真正緊緻的質量會在自身周圍產生極大重力，並且在一定距離處，把空間扭曲到連光都無法逃脫（請記住，重力不僅會拉動物體，還會扭曲空間）。光不能逃脫的臨界點稱為「事件視界」，在「某種程度」上，事件視界定義了黑洞從何處開始，以此距離為半徑的黑色球體則稱為黑洞。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。如果你把地球壓縮得足夠小，會得到一個彈珠大小的黑洞，因為在大約一公分距離內，光再也無法逃脫。但是如果你再壓縮更多質量，黑洞半徑就會更大。例如，你把太陽壓縮變小，空間扭曲程度更高，事件視界更遠，大約發生在距離中心點三公里處，因此黑洞寬度約六公里。質量愈大，黑洞愈大。

其實，黑洞的大小並沒有理論限制。在太空中我們已探測到的黑洞寬度，最小約有二十公里，最大可達數百億公里。實際上，黑洞形成的限制只有周圍環繞物質的多寡，以及所允許的形成時間。

當你接近黑洞時，可能會注意到的第二件事是，黑洞通常不孤單寂寞。有時你會看到周圍東西掉進黑洞。或者更準確的說，你會看到東西在黑洞周圍旋轉等待落入。

這種東西稱為「吸積盤」，是由氣體、塵埃和其他物質組成。這些物質沒有被直接吸入黑洞，而是在軌道上盤旋等待、螺旋進入黑洞。這景象對於小黑洞而言，可能不是那麼令人印象深刻，但如果是超大質量黑洞，確實值得一看。氣體和塵埃以超高速度飛來飛去，產生非常強烈的純粹摩擦力，導致物質被撕裂，釋放出許多能量，創造出宇宙中最強大的光源。這些類恆星（或稱類星體）的亮度，有時比單個星系中所有恆星的亮度總和還要高數千倍。

幸運的是，並不是所有黑洞，甚至是超大質量黑洞，都會形成類星體（或耀星體，就此而言，像是吃了類固醇的類星體）。大多數時候，吸積盤並沒有合適的東西或條件來創造如此戲劇化的場景。這也算是一樁美事，否則的話，你一靠近活動劇烈的類星體，可能會讓你在瞥見黑洞之前就氣化了。希望你選擇落入的黑洞周圍有個漂亮的、相對平靜的吸積盤，讓你有機會接近並好好欣賞。

——本文摘自《宇宙大哉問：20個困惑人類的問題與解答》，2022 年 8 月，天下文化，未經同意請勿轉載。

• 文／陳明堂，中央研究院天文所及天文物理研究所研究員，兼天文所夏威夷運轉副所長。

去 (2019) 年，臺灣黑洞團隊與事件視界望遠鏡 (Event Horizon Telescope, EHT) 公布第一張黑洞照片。一年後，他們雖然沒有呈現新的黑洞照片，卻推出一張所未見的黑洞噴流影像。黑洞噴流如同兩隻金魚的發光體，起初讓研究團隊摸不著頭緒。所幸 EHT 強大的解析能力逐漸解開噴流的真面目，原來圖片左上的影像是噴流的源頭，右下則是逐步遠離的噴流。此外，這把宇宙等級的噴火槍其實是耀變體，在觀測中展現出許多令人驚奇的特性。

宇宙級的噴火槍：3C 279

在去年公布的首張黑洞影像後，事件視界望遠鏡團隊今 (2020) 年又再次發表另一張超高解析度的影像（下圖）。這次的目標是一個叫做 3C 279 的星體，影像呈現出一對橢圓狀的發光體。這兩個光體的位置左上右下，似乎處在一種隨遇而安的狀態。與去年發表的黑洞甜甜圈不同，反而像在一潭黝黑的池水中，偶爾浮上水面的兩條金魚。

3C 279 是一個類星體（quasar，下圖），位在室女座（Virgo Constellation，又稱處女座）附近，靠近春季大三角 (Spring Triangle) 的角宿一 (Spica)。

雖然肉眼看不見 3C 279，但是從過去的觀測，天文學家知道它是銀河系外頭的另一個星系。它發出的訊號，從低能量的無線電波、紅外線到可見光、紫外線延伸至高能量的 X 光，應有盡有；甚至也會發出強烈的超高能量的射線。

與去年的 M87* 黑洞相比，為什麼這次的影像中沒有看到甜甜圈呢？

因為 3C 279 距離地球太遠了，相比之下，去年拍到 M87* 離地球「僅僅」5500 萬光年，而 3C 279 則幾乎是 100 倍遠的距離。不僅如此，根據天文學家的估計，3C 279 中心黑洞的大小還不到 M87* 的五分之一。由於又小又遠，因此以目前 EHT 的影像解析能力，還無法完全看到 3C 279的黑洞，所以在此影像中才看不到任何的甜甜圈。

黑洞物理參數的比較

看不見甜甜圈沒關係，EHT 還是有辦法解析！

雖然看不到黑洞，但是天文學家可以利用 EHT 的超級解析能力來研究黑洞外圍的物理現象。

當環繞黑洞的星際物質從吸積盤掉進黑洞時，並非所有物質都會進入黑洞之中。其中一部份的物質會以電漿能量包的形式，以極高的速度從黑洞的兩個極點朝外噴出，物質噴出的速度趨近光速，這就是所謂的噴流。目前科學家還不了解噴流的確切成因，但是一般認為是吸積盤與黑洞周遭的磁力場所造成，這也是 EHT  的科學家研究 3C 279 的主要動機。

人們對黑洞的了解是建立在愛因斯坦的廣義相對論。黑洞是經由重力塌縮 (gravitational collapse) 後形成的星體，它具有質量、自轉和事件視界 (event horizon)。根據理論，任何發生在事件視界裡面的資訊都無法傳遞到外面，所以對外界的觀察者而言，黑洞的物理性質來自於事件視界之外的空間，因此事件視界代表黑洞的視覺大小。

2017 年 4 月的觀測期間，EHT 除了使用參與團隊的天文台之外，還另外動用其它兩組望遠鏡陣列，總共三組陣列透過不同的電波波長擷取 3C 279 的影像。其中，長波段的影像（超長基線陣列 VLBA 波長 7 mm）擷取到 3C 279 大範圍的相貌，影像明顯顯示左上角黑洞所在的熱點及從熱點衝往右下方向的噴流；中波段的影像（全球毫米波特長基線陣列 GMVA 波長 3 mm）把目光聚焦在靠近黑洞和噴流的起始點，期望從影像中能透露出關於噴流起源的訊息。但結果卻不盡人意，此波段呈現出來的影像幾乎是長波長的翻版，導致很難從結果中分辨出熱點和噴流之間的差別。

要看得更仔細， EHT 使用 8 座次毫米波電波觀測站同時朝熱點觀看，能提供更細微的影像解析能力（波長 1.3 mm），所得到的影像與中、長波段的結果相比，的確有出乎意料的發現。EHT 的影像出現左上與右下兩個獨立的部份，經由影像分析，EHT 團隊科學家認為右下部份訊號的移動方向與速度，和中、長波長影像中的噴流類似，因此他們認為右下部分的光影是大尺度噴流的一部份。此結論比較是可以預期，而沒有太多的爭論。可是該如何解釋位於左上的訊號就不是那麼容易了。

猶如宇宙噴火槍的耀變體

說到這裡，如果讀者對類星體有些認識，可能會猜測左上的光影應該是黑洞吸積盤發出的能量，黑洞就躲在巨大的吸積盤中間；而右下部份的狹長光影就是黑洞的噴流結構。噴流與吸積盤呈現接近 90 度的相對位置，此猜想符合天文學家想像中的類星體（下圖），可是問題卻沒有那麼簡單。

3C 279 是類星體中的特殊例子，特別的地方在於它的噴流方向非常接近觀測的視線。如果把噴流當作是一把宇宙噴火槍的火焰，那麼在地球上觀看 3C 279 的方向幾乎是往火槍的噴嘴裡頭看進去，高能量的噴流就只對著地球上的觀測者打出來。由於都卜勒效應 (Doppler effect) 的關係，此噴流看起來會特別亮，因此天文學家給這類型的類星體一個特殊的名字：耀變體（blazar，或稱耀星體）。

令人匪夷所思的觀測結果

換句話說，從地球的角度觀測，3C 279 除了具有一個非常強烈的中心訊號源外，天文家認為應該可以看到整個吸積盤才對，並認為從此角度觀測，吸積盤應該是接近圓形。但是在 EHT 的影像中，左上的光體卻是個狹長的橢圓形，該如何解釋異形怪狀的吸積盤，對理論學家是一大挑戰。

有一種解釋說法認為，左上與右下的光影其實是一樣的，都是噴流的高能量聚集的電漿能量包。二者不同之處在於，左上的能量包非常接近黑洞的噴嘴，並以更對準觀測者視線的角度而來，當然此角度並不完美，因此高能噴流的還是會在觀測的視線中投射出一個狹長的橢圓光影。雖然可以合理解釋觀察到的左上光影，但又該如何解釋左上與右下的能包移動的方向似乎不一樣？難道噴流會改變它的方向？

關於這一點，天文學家從其它類星體的觀測經驗，知道由於吸積盤附近的強大磁場作用，噴流的確有可能改變方向。在類星體中心的磁場作用下，噴流的路徑可能比上下 360 度翻滾的雲霄飛車還複雜，因而造成 EHT 觀測到的奇怪影像，所以目前 EHT 的團隊相信這是一個比較合理的解釋。

觀測「超光速」移動的噴流？

這次 EHT 共花了4 天的時間觀測 3C 279，而每天都會產生一組非常類似的影像，經過仔細檢查，EHT 的團隊發現影像中的兩個光體的距離每天都有些不同。事實上，兩個光體正在分開中。此觀察符合前一段的論證：左上的光影代表噴流的源頭，右下是正在離開的噴流。

有了 EHT 望遠鏡的超級解析度，天文學家可估計噴流的移動速度。EHT 的團隊發現右下的能量正以超過 10 倍光速的速度離開噴流的源頭位置。讀者可能會納悶，超光速運動是有可能的嗎？

其實天文學家在半世紀前就已經知道，類似耀星體所發出來的噴流「看起來」會有超光速現象 (superluminal motion)。如此奇怪的現象是因為高能量的噴流速度接近光速，但是由於觀測角度的關係，從遠方看起來噴流的速度超過光速。此現象其實可以用相對論解釋，所以看起來超光速並不代表真正超越光速。

宇宙的更多故事等著被挖掘

53 億年前，那時太陽系正在慢慢成形，地球根本還沒存在。然而，隨著科學的進展，一個發生在距離地球 53 億光年外的物理現象，竟然被天文學家看到了！

此次 EHT 發布的影像雖然沒有如同去年 M87* 黑洞的影像引起一陣轟動，然而 3C 279 的影像透露出來的新資訊，似乎讓天文學家產生更多的問題與好奇。這就是科學發展，隨著 EHT 突破性的觀測儀器發展，人們將會看到許多前所未見的現象，並引導好奇的科學家們，更進一步了解所處在的宇宙。

2017 年參與 EHT 的八座望遠鏡中，臺灣參與建造或運作的一共有三座，包含夏威夷的次毫米波陣列 (SMA)、詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡 (JCMT) 和智利的阿塔卡瑪大型毫米波及次毫米波陣列 (ALMA)，再加上貢獻運作經費與觀測人力，讓臺灣團隊占有顯著的地位，這也是總共 13 席的 EHT 董事成員，臺灣中研院就占兩席的原因。

臺灣團隊一手主導的格陵蘭望遠鏡，直到 2018 年才加入 EHT，並參與 3C 279 的觀測。目前的觀測資料正在處理中，EHT 團隊期待格陵蘭望遠鏡的加入，能夠揭露更多噴流結構的細節，能讓天文學破解出黑洞周遭的祕密。如此的結果將會大大的提升臺灣天文學家在黑洞研究的地位，也讓臺灣獨特的貢獻受到世人的重視。

延伸閱讀

• Jae-Young Kim et al., Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, Astronomy & Astrophysics, 2020.

本文轉載自《科學月刊》 宇宙中的噴火槍—黑洞噴流影像現蹤跡

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編按：本書為霍金留給世人的 10 個大哉問與見解，期盼讀者能藉由站在霍金這位巨人的肩膀上得到更多啟發與省思。本文為大哉問之五：黑洞裡面是什麼？

白矮星、中子星、類星體，都是恆星崩陷後的產物

對一顆正常的恆星而言，壽命可以有數十億年以上，在這段生命裡，絕大多數的歲月，它都是藉由把氫轉換為氦的核融合過程所產生的熱壓力，來對抗因自身質量所產生的重力。然而，氫燃料終有燃燒殆盡的一天。此後，恆星便會開始收縮。

在某些情況下，它能承受得住自身的重力崩陷，只是變成密度很大的一個星核，稱為白矮星。然而印裔美籍物理學家錢卓塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910-1995）在 1930 年證得，白矮星的最大質量約為太陽的一點四倍。蘇俄物理學家蘭道（Lev Landau, 1908-1968）也獨立計算出相似的數值，並把這個完全由中子組成的緻密星體，命名為中子星。

對於另外無數個質量大於白矮星或中子星的恆星，當它們在核燃料耗盡之後，命運將會如何呢？稍後以研發原子彈而著名的歐本海默（Robert Oppenheimer, 1904-1967）曾對此做了一番研究。1939 年，歐本海默與沃科夫（GeorgeVolkoff, 1914-2000）、史耐德（Hartland Snyder, 1913-1962）共同計算出：

這樣的大恆星，熱壓力將無法與自身的重力相抗衡。

再者，如果忽略這個熱壓力，一顆均勻球形對稱的星體將會收縮成一個密度無限大的點，稱為奇異點。

違反時空平坦假設的奇異點：時空曲面上的曲率無限大

然而，我們所有關於空間的理論，都是構築在「時空是平坦的」假設上，因此，這些理論都無法適用於奇異點上，因為奇異點在時空曲面上的曲率為無限大。事實上，奇異點標誌著空間與時間的終點。這就是愛因斯坦覺得非常反感的東西。

接著，第二次世界大戰干擾了後續的研究。大多數的科學家，包括歐本海默在內，都把注意力轉向核物理學，至於恆星崩陷的議題，則被大家拋諸腦後。一直到發現了類星體（quasar），科學界才又重新注意到這個問題。第一顆類星體 3C 273 是在 1963 年發現的，隨後天文學家又陸續發現許多顆類星體。

類星體是極度明亮的活躍星系核（位於星系中心的質量密集區域），輻射出來的電磁波功率非常巨大，但是由於距離地球非常遙遠，所以在可見光波段，看起來只是「類似」星狀的微弱光點。由於類星體的靜止質量並未大量減少，但釋放出來的能量卻遠大於質能轉換的結果，因此這些能量的來源不單只是核反應而已。唯一可能的解釋是，這些能量來自重力崩陷而釋放出來的重力能。

類星體的強電磁波，能量來自重力崩陷的重力能

恆星的重力崩陷，重新成為科學研究的焦點。當重力崩陷發生時，星體的重力會把周圍的所有物質向內聚集。很顯然，一顆均勻的球形恆星，最終會收縮成一個密度無限大的奇異點。但是，如果這顆恆星不是均勻的球形星體呢？由於物質的分布並不均勻，是否會讓崩陷的過程也不均勻，從而避開奇異點的生成呢？

潘若斯在1965 年提出一篇著名的論文，僅僅根據重力只有吸引力的這個事實，證明了即使恆星不是均勻球形的星體，崩陷的最終結果仍會是一個奇異點。

愛因斯坦方程在奇異點裡，因無法定義而失效了。也就是說，對於這個密度無限大的點，我們無法預測它的未來。這意味著，每當恆星發生崩陷時，就會有詭異而未知的事情發生。只要奇異點不是「裸露」的，換句話說，有個屏蔽（即事件視界）把它與外界區隔開來，那麼無論在奇異點上發生什麼事，便都與我們無關。於是，潘若斯提出了「宇宙審查猜想」（cosmic censorship conjecture）：

所有由恆星或其他星體因崩陷所形成的奇異點，總會有一個事件視界將它隱匿起來，因而任何人都無法觀測到黑洞內部。

黑洞是一個重力極強、以致光都無法脫離的區域。宇宙審查猜想幾乎可以斷定是正確的了，因為所有希望證偽的嘗試都失敗了。

黑洞無毛？無論丟甚麼進去，看起來都一模一樣

當惠勒於 1967 年提出「黑洞」這個詞時，它取代了原先的名詞「凍星」。惠勒新造的這個詞，強調了讓人感興趣的是恆星崩陷之後的殘餘物本身，而與它的形成過程無關。這個新名詞很快就流行了起來。

從外面，你無法知道黑洞內部是何模樣。無論你朝著它丟進什麼東西，或是它原本是什麼東西、它是如何形成的，黑洞看起都一模一樣。惠勒對於這種現象，有一句著名的描述：「黑洞沒有頭髮」（A black hole has no hair，也簡稱
「黑洞無毛」）。

本文摘自《霍金大見解：留給世人的十個大哉問與解答》，天下文化，2019 年 2 月出版。