從臆測到接受︰科學家發現黑洞之旅

從臆測到接受︰科學家發現黑洞之旅
Image Credit: Event Horizon Telescope @Wikimedia Commons CC BY 4.0

我們想讓你知道的是

黑洞是個大多數人都相信,卻沒有人見過的存在。那過去科學家是如何知道黑洞的呢?《新科學人》雜誌主編便在《萬物視覺化》介紹了歷代研究者如何推論黑洞。

不妨在清朗的夜晚,到戶外找一找人馬座。在人馬座之外的某處隱伏著一個怪物:一個超級巨大的黑洞,但它在非常遙遠的天外,你大可放心。你不會看見這個黑洞,它被塵埃遮住了,而且它是全黑的,距離我們27,000光年那麼遠。但我們相信它在那裡,就位在銀河系的中心。

我們通常把黑洞視為20世紀的發現,但這個概念可以回溯到1783年,約克郡的一位牧師兼業餘哲學家米歇爾(John Michell)在那年向倫敦皇家學會投了一篇根據臆測而寫出的論文。

米歇爾當時在思索要如何測量恆星的距離及星等(就連現在的天文學家也對這個問題很頭痛),他從牛頓的光的微粒說出發,該理論主張光是由許多無窮小的粒子組成的。米歇爾推斷,恆星發出的光會因為恆星本身的重力而放慢,所以我們可以透過速度的減少量來測量這顆恆星的質量,進而就能得知它與地球的距離。

在1784年,皇家學會的《自然哲學會刊》(Philosophical Transactions)刊登了米歇爾的長篇論文,這篇論文主要就在談如何運用稜鏡從地球上測量出這個減少量。但也是在異想天開。

米歇爾推斷,如果恆星夠巨大,它的重力就很強大,大到連光都無法逃離魔掌。他還計算出,如果要以這種方式把光困住,這顆恆星的直徑必須是太陽的五百倍左右。他寫道,若有這樣的天體存在,「它發出的光永遠到不了地球」。

這個完全原創的想法偏離了米歇爾的目標,所以他就把它放著。「我不會繼續鑽研下去,」他寫道。

米歇爾說到做到。他在1793年過世前,都沒有再提過這個想法。

幾年後,法國學者拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)在思索非常大的恆星的性質時,也得出了同樣的想法。這些恆星的引力將「非常大,大到沒有光能夠脫離恆星表面。因此,我們可能看不見宇宙中最大的天體」。

拉普拉斯可能有打算要繼續發展這個想法,但在1804年,這個想法被一個新理論淘汰了,新的理論主張光是一種波,而非粒子流。若真如這個理論所說,光就不會受重力影響。這個想法就此被人遺忘。

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Photo credit: NASA/Handout via REUTERS/達志影像

重回黑暗之中

1915年愛因斯坦提出了廣義相對論,事情再次有了變化,廣義相對論把重力重新定義成巨大物體(譬如恆星)對時空造成的扭曲。

這個理論做出了一個奇怪的預測,但愛因斯坦本人並沒有注意到,而是天文學家史瓦西(Karl Schwarzschild)告訴他的。史瓦西在參加東線戰事(他在1914年、40歲時志願加入德軍)的閒暇之餘發現了這件事。

史瓦西證明,如果有足夠的質量集中到夠小的空間中,時空曲率會變無限大,結果就得到一個「奇異點」──這是時空中的一個點,在這個點有非常大的重力,大到連光線都無法逃脫。愛因斯坦對此印象深刻,但不相信這樣的物體真的有可能存在。史瓦西在1916年因病(他在戰壕中感染的疾病)過世,而他提出的奇異點終究被斥為純理論上的實體。愛因斯坦在1939年發表一篇論文,據信「證明」了這個論點,這件事就平息了。至少平息了一段時間。

1950年代,天文學家開始利用無線電波探測深太空,結果發現一些非常非常遙遠的天體,譬如類星體,這種天體釋放出龐大的能量,只能藉由廣義相對論來理解。在這之後,大家對於解釋非常巨大的天體的物理學有了新的理解,物理學家開始相信也許有、甚至很可能有奇異點存在。有個很關鍵的突破是「事件視界」(event horizon)這個概念,這是指黑洞的「表面」,一條在時空中的邊界,重力在這裡會變得無比強大,沒有任何東西能逃脫。

1960年代末尾,大多數的物理學家相信黑洞是廣義相對論的必然結果。

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Photo Credit: 大寫出版

黑洞是如何形成的?

質量是太陽兩倍或更多倍的恆星,都注定會變成黑洞。這樣的恆星有巨大的重力場,會產生一股向內的壓力。這些恆星在有生之年,會透過自身核心的核融合反應抵消這股壓力,但燃料耗盡時就無法再抗衡,而開始向自身內縮,這個過程稱為重力塌縮(gravitational collapse)。

有時候這會直接導致黑洞形成,不然就是造成巨大的爆炸,稱為超新星,把外層炸開,留下星核。如果這顆恆星的質量夠大,它會繼續塌縮,隨著塌縮物質的密度越來越大,重力場就變得奇大無比,此後再也沒有回頭路,甚至連光線都逃不出去。一個黑洞就此誕生。

不過,這個過程並沒有解釋超大黑洞的成因,有些超大黑洞的質量至少是太陽的十萬倍。這些黑洞也許只是由大量的物質經年累月盤旋成的普通黑洞,或者是許多普通黑洞合併而成的,也可能是早期宇宙的超大恆星塌縮後的產物。

  • 黑洞小軼事:黑洞為什麼叫做黑洞?

沒人完全肯定「黑洞」這個名稱來自何處。一般認為出自物理學家惠勒(John A. Wheeler)在1967年一場演講中提出。但根據《耶魯名句集》(Yale Book of Quotations),黑洞一詞最早見於美國科學促進會(AAAS)在1964年的一篇會議報告裡。看樣子在惠勒得知並推廣黑洞一詞之前,這個稱呼可能正在天文物理學家之間流傳──惠勒擅長記住朗朗上口的用語。

  • 黑洞小軼事:麵條化

跑到黑洞事件視界的東西都會被吸進去,再也看不到,這個過程叫做麵條化──由於重力實在非常強大,因此不幸誤闖的物體(例如太空船或太空人)會被拉成細長的線狀,接著就像吸麵條般被吞噬。

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