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聚焦地科
聚焦地科2023-10-30
探索宇宙黑洞研究成果以及「超巨質量黑洞」的成長機制！
黃崇源｜ 國立中央大學天文研究所教授
圖一：超巨質量黑洞一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據，但超巨質量黑洞究竟如何形成，至今仍是學界的未解之謎 。（影像來源：Wikipedia）
黑洞一般認為是廣義相對論的產物，但早在 18 世紀，英國的自然哲學家約翰·米歇爾（John Michell）和法國著名的數學家皮耶─西蒙·拉普拉斯（Pierre - Simon Laplace）就有提出類似的概念。想像我們拿一個排球往上拋，當我們愈用力排球就會飛愈高，儘管排球最後又會受到地球重力的吸引而掉落，但我們知道離地愈遠地球引力就愈小，因此如果向上拋排球的速度夠快，排球就有可能不再掉回地球表面，這個速度就是所謂的「脫離速度」。
如果將排球換成一個天體，當天體的重力場大到使物體速度必須大於光速才能脫離，這時甚至連光都無法脫離這個天體，這個天體就無法被看到。從這種概念出發，約翰·米歇爾認為如果有一個直徑為太陽 500 倍、密度與太陽類似的天體，那麼這個天體將無法被看到，他稱這種天體為「暗星」，如果將脫離速度用光速代替，就可以得到古典力學概念下暗星的半徑：R=2GM/c2。雖然這個半徑是出自古典力學的想法，但其結果卻與相對論中非旋轉的黑洞半徑一樣，另外約翰·米歇爾也提出可以利用周圍天體的運動來觀測暗星的概念，這與現代偵測黑洞的方法幾乎完全相同。
古典暗星與現代黑洞雖然半徑一樣，但概念上卻有本質差異。現代黑洞的半徑並不代表一個實際表面，而只是一個空間界線，將黑洞半徑內外的空間分開。現代一些理論認為物質進入黑洞後，會直接往黑洞中心的奇點（意即一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點）前進，因此可能沒有物質停留在黑洞半徑處，而且外面物質一旦進入黑洞半徑範圍後，就無法再來到黑洞半徑之外。
宇宙黑洞研究的發展進程
約翰·米歇爾和皮耶─西蒙·拉普拉斯概念中的暗星都非常巨大，但在 20 世紀後，天文學家開始發現一些質量大約在數個或數十個太陽質量的黑洞。這些黑洞的來源，一般相信是大質量恆星（超過 25 倍太陽質量）演化的最終產物。這些大質量恆星在其演化末期成為超新星爆炸（恆星死亡時所產生的劇烈爆炸現象），讓恆星外殻向外爆炸，恆星核心則塌縮形成一個黑洞。這種數個太陽質量的黑洞密度非常大，半徑約有幾公里大小，因此在黑洞半徑外圍附近，會具有很強的潮汐力。一般日常生活中的生物或儀器都無法抵抗這強大的潮汐力，因此無法安全到達這種數個太陽質量的黑洞半徑附近，更遑論進入黑洞空間內部探測。
另一方面，20 世紀電波天文學（是指使用無線電波的波段記錄來自天體的輻射發展出的天文學）的應用，則發現「電波類星體」。這些是非常高紅移（Redshift，意即距離非常遙遠）的天體，這些天體雖然體積極小，卻具有強大的電波與其它波段輻射，像是一個約太陽系大小的天體，就可以放出比整個銀河系更強的輻射。從電波類星體被發現開始，就有許多天文學家猜測它們強大輻射的來源，就是來自內部一個超巨質量的黑洞，然而這些超巨質量黑洞的存在，要一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據。有趣的是，這些黑洞的大小與密度，很類似約翰·米歇爾和皮耶─西蒙·拉普拉斯概念的暗星。
超巨質量黑洞擁有大質量的秘密
這些超巨質量黑洞究竟如何產生？這是現代天文學一個重大問題。目前已知黑洞都是位在星系中心，像是銀河系中心就有一個質量約四百萬太陽質量的巨質量黑洞，但星系演化與其中心黑洞質量的關聯，目前仍不清楚。例如最近發現許多紅移大於 7 的類星體，但當時宇宙年齡不到 8 億年，大部份星系應該都在演化的初期，但其中心的黑洞質量卻估計有 10 億個太陽質量，讓人不禁好奇這些黑洞如何在這麼短的時間成長到這麼大的質量？
雖然黑洞能吸引物質，但大部份物質都有角動量（Angular momentum，是指物體轉動時會擁有的一種物理量）和動能，所以不容易被黑洞吸收，像是太陽雖對地球有引力，但即使太陽變成黑洞地球也不會掉到太陽裡。因此要讓黑洞持續成長，必須有不同質量的天體發生碰撞而損失角動量，進一步掉到黑洞附近；或是當星系合併時，星系的分子雲會與其它的原子雲及恆星碰撞，相對恆星和原子雲具有很大質量的分子雲，便會損失能量和角動量而掉到星系中心的黑洞附近。最近模擬研究顯示，這樣的機制可以讓黑洞在 2 到 3 億年就長到約 10 億個太陽質量，這也許是提供一個早期黑洞快速成長的方式。
目前我們比較確定的是超巨質量黑洞與星系演化有關，但其關係為何尚待釐清，例如是先有黑洞才有星系？還是先有星系再形成黑洞？或是兩者同時產生？直到現在超巨質量黑洞的形成仍是一個未解之謎，也是一個值得天文學家持續探究的有趣題目。
本文轉載自科技大觀園，連結如下：
https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=eed5fd3e-6e31-48f0-baf2-5a510d379cac
圖一：超巨質量黑洞一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據，但超巨質量黑洞究竟如何形成，至今仍是學界的未解之謎 。（影像來源：Wikipedia）
黑洞一般認為是廣義相對論的產物，但早在 18 世紀，英國的自然哲學家約翰·米歇爾（John Michell）和法國著名的數學家皮耶─西蒙·拉普拉斯（Pierre - Simon Laplace）就有提出類似的概念。想像我們拿一個排球往上拋，當我們愈用力排球就會飛愈高，儘管排球最後又會受到地球重力的吸引而掉落，但我們知道離地愈遠地球引力就愈小，因此如果向上拋排球的速度夠快，排球就有可能不再掉回地球表面，這個速度就是所謂的「脫離速度」。
如果將排球換成一個天體，當天體的重力場大到使物體速度必須大於光速才能脫離，這時甚至連光都無法脫離這個天體，這個天體就無法被看到。從這種概念出發，約翰·米歇爾認為如果有一個直徑為太陽 500 倍、密度與太陽類似的天體，那麼這個天體將無法被看到，他稱這種天體為「暗星」，如果將脫離速度用光速代替，就可以得到古典力學概念下暗星的半徑：R=2GM/c2。雖然這個半徑是出自古典力學的想法，但其結果卻與相對論中非旋轉的黑洞半徑一樣，另外約翰·米歇爾也提出可以利用周圍天體的運動來觀測暗星的概念，這與現代偵測黑洞的方法幾乎完全相同。
古典暗星與現代黑洞雖然半徑一樣，但概念上卻有本質差異。現代黑洞的半徑並不代表一個實際表面，而只是一個空間界線，將黑洞半徑內外的空間分開。現代一些理論認為物質進入黑洞後，會直接往黑洞中心的奇點（意即一個體積無限小、密度無限大、引力無限大、時空曲率無限大的點）前進，因此可能沒有物質停留在黑洞半徑處，而且外面物質一旦進入黑洞半徑範圍後，就無法再來到黑洞半徑之外。
宇宙黑洞研究的發展進程
約翰·米歇爾和皮耶─西蒙·拉普拉斯概念中的暗星都非常巨大，但在 20 世紀後，天文學家開始發現一些質量大約在數個或數十個太陽質量的黑洞。這些黑洞的來源，一般相信是大質量恆星（超過 25 倍太陽質量）演化的最終產物。這些大質量恆星在其演化末期成為超新星爆炸（恆星死亡時所產生的劇烈爆炸現象），讓恆星外殻向外爆炸，恆星核心則塌縮形成一個黑洞。這種數個太陽質量的黑洞密度非常大，半徑約有幾公里大小，因此在黑洞半徑外圍附近，會具有很強的潮汐力。一般日常生活中的生物或儀器都無法抵抗這強大的潮汐力，因此無法安全到達這種數個太陽質量的黑洞半徑附近，更遑論進入黑洞空間內部探測。
另一方面，20 世紀電波天文學（是指使用無線電波的波段記錄來自天體的輻射發展出的天文學）的應用，則發現「電波類星體」。這些是非常高紅移（Redshift，意即距離非常遙遠）的天體，這些天體雖然體積極小，卻具有強大的電波與其它波段輻射，像是一個約太陽系大小的天體，就可以放出比整個銀河系更強的輻射。從電波類星體被發現開始，就有許多天文學家猜測它們強大輻射的來源，就是來自內部一個超巨質量的黑洞，然而這些超巨質量黑洞的存在，要一直到 20 世紀末、21 世紀初才有比較明確的觀測證據。有趣的是，這些黑洞的大小與密度，很類似約翰·米歇爾和皮耶─西蒙·拉普拉斯概念的暗星。
超巨質量黑洞擁有大質量的秘密
這些超巨質量黑洞究竟如何產生？這是現代天文學一個重大問題。目前已知黑洞都是位在星系中心，像是銀河系中心就有一個質量約四百萬太陽質量的巨質量黑洞，但星系演化與其中心黑洞質量的關聯，目前仍不清楚。例如最近發現許多紅移大於 7 的類星體，但當時宇宙年齡不到 8 億年，大部份星系應該都在演化的初期，但其中心的黑洞質量卻估計有 10 億個太陽質量，讓人不禁好奇這些黑洞如何在這麼短的時間成長到這麼大的質量？
雖然黑洞能吸引物質，但大部份物質都有角動量（Angular momentum，是指物體轉動時會擁有的一種物理量）和動能，所以不容易被黑洞吸收，像是太陽雖對地球有引力，但即使太陽變成黑洞地球也不會掉到太陽裡。因此要讓黑洞持續成長，必須有不同質量的天體發生碰撞而損失角動量，進一步掉到黑洞附近；或是當星系合併時，星系的分子雲會與其它的原子雲及恆星碰撞，相對恆星和原子雲具有很大質量的分子雲，便會損失能量和角動量而掉到星系中心的黑洞附近。最近模擬研究顯示，這樣的機制可以讓黑洞在 2 到 3 億年就長到約 10 億個太陽質量，這也許是提供一個早期黑洞快速成長的方式。
目前我們比較確定的是超巨質量黑洞與星系演化有關，但其關係為何尚待釐清，例如是先有黑洞才有星系？還是先有星系再形成黑洞？或是兩者同時產生？直到現在超巨質量黑洞的形成仍是一個未解之謎，也是一個值得天文學家持續探究的有趣題目。
本文轉載自科技大觀園，連結如下：
https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=eed5fd3e-6e31-48f0-baf2-5a510d379cac