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觀察黑洞-《平行宇宙》

PanSci_96
・2015/06/15 ・2398字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

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。)

A stellar-mass black hole in orbit with a companion star located about 6,000 light years from Earth.
Source from wikimedia

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。

NGC4261
NGC 4261, source from wikimedia

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。

M87
M87, source from wikimedia

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

平行宇宙--正封面本文摘自《平行宇宙》。本書由暖暖書屋出版社出版。

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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