零距離科學:從遠古的黑洞到現在的我和你

零距離科學:從遠古的黑洞到現在的我和你

我們想讓你知道的是

今集《零距離科學》,會帶大家探訪幾位研究黑洞的科學家,跟隨他們的腳步,見證黑洞研究的重大時刻。

文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

要把「黑洞」和「生命體」連繫起來,相信不少人的第一印象會是外型奇怪的外星生物,或是和時空穿梭有關的科幻故事。不過,如果我們從構成生命體的化學元素的角度考量,黑洞的活動正是讓這些元素出現在地球上的關鍵。

人類史上第一張黑洞照片——來自深空的「甜甜圈」

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這是人類史上第一張拍攝到的黑洞照片,中間黑色的部分是黑洞,外圍發著橙黃色光的部份,是氣體因黑洞的強大重力而圍著它高速旋轉時產生的。

近年黑洞給大眾最大的印象,來自一張由全球科學家合作拍攝的照片,被拍攝的是位於室女座的M87星系中的超大質量黑洞。科學家們利用散布在全球各處的八座大型望遠鏡,在同一時段拍攝同一天區,效果就像使用了和地球一樣大小的「超級望遠鏡」。為求影像精確,不同地方的科學家利用不同的演算方法分析數據,最後得到幾乎一模一樣的結果。照片裡出現的是一個發著橙黃色光的「甜甜圈」,連上窄下闊的細節也一模一樣。(筆者和不少貓奴一樣,覺得這像是來自太空深處的貓眼。)也許大家會覺得奇怪,黑洞不是黑色的嗎?哪來的橙黃色光?那先要由「黑洞是甚麼?」說起。

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科學家利用八座在地球不同地方的望遠鏡,在同一時段觀察同一天區,功效等同一座口徑有地球那麼大的望遠鏡。

早在100年前,物理學家愛因斯坦發表了廣義相對論,描述了重力和時間的關係。當中提及物件的質量越大,重力就越大,在時空上產生的扭曲也越大。這代表若有物件的質量夠大,時空被扭曲到即使是全宇宙走得最快的光也逃離不了,就是所謂的「黑」洞了。所以,回到相片上,「甜甜圈」中央黑色的位置正是黑洞所在,發光的位置是在黑洞外圍的氣體,黑洞外面不是一片死寂的。

因為黑洞而產生的時空扭曲,會令附近星際空間的氣體被黑洞的重力拉著,圍繞黑洞旋轉,還會越轉越接近黑洞,氣體粒子也會越來越接近彼此,產生磨擦而發熱,氣體夠高溫了就會發光,這就是「甜甜圈」的來源。上窄下闊的模樣也可以此解釋,正是因為氣體圍著黑洞旋轉,「上窄」是因為發光的氣體正在遠離我們,「下闊」是因為發光的氣體正在「轉回來」我們的方向。

恆星黑洞與超大質量黑洞——構成生命體的元素的搖籃

科學家把黑洞分為兩類,一類稱為「恆星黑洞」,是大質量恆星把燃料燒盡後,發生超新星爆發把恆星物質拋出星際空間,剩下的核心因自身的重力塌陷形成。另一類是在很多星系的中心,包括我們居住的銀河系,存在著的超大質量黑洞。科學家相信這些黑洞的形成和個別恆星的死亡無關,而比較可能是在宇宙形成初期,不同的氣體團合併的結果。

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科學家發現,星系中心的超大質量黑洞會產生噴流,把圍繞著它旋轉的氣體拋到數千光年以外。

現代科學認為,在我們的宇宙中,沒有任何事物可以超越光速,所以我們以望遠鏡觀察一光年外的天體,看到的是天體在一年前發出的光,走了一年的時間才來到地球,進入我們的望遠鏡。於是,觀察離我們越遠的星際空間,看到的是越久遠之時發生的景象。就是以這個方法,科學家收集了很多由遙遠過去而來的訊號,發現恆星的產生速度和黑洞的活躍程度不是一直穩定的。現在的科學家相信,宇宙在138億年前誕生,氣體在星際空間中因重力聚在一起,恆星開始誕生,宇宙中出現第一點星光。在約100億年前,恆星生成的速度和黑洞的活躍程度達到高峰,之後因為可以用的氣體少了,兩者都開始回落。

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宇宙中沒有事物能比光速快,所以當我們在地球上以望遠鏡觀察遙遠的天體,看到的其實是天體在很久之前發出的光。

黑洞噴流——星際空間裡的匙羹

宇宙約在138億年前的宇宙大爆炸中形成,當時所有物質都聚集在一個“無尺度”的點,在爆炸的一刻“向外”爆發,形成空間、物質和時間。這種擴張並不是平均地進行,而是隨著形成的物質因萬有引力作用下一團又一團地分布。宇宙在形成初期只有氫和氦兩種元素,待恆星出現,核心夠高溫產生核聚變,才形成更加重的元素,由超新星爆炸把這些元素拋出附近的星際空間。不過,科學家發現,這些元素不只是在黑洞和超新星附近出現,而是平均地分布在整個星際空間中。

科學家從其後更多的黑洞照片發現,不只是黑洞外圍有氣體在發光,還有發光的「噴流」從黑洞的「兩端」噴出,「噴流」的長度更可達數千光年(以光速行走數千年才能到達的距離)。當氣體圍著黑洞高速旋轉,除了產生高溫,還會產生強大磁場,磁場又因氣體在高速旋轉而被扭曲,磁場在扭曲的狀態下積存著巨大能量,一旦到達極限就會從磁場兩極爆發,把氣體噴出,形成「噴流」。

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氣體被黑洞的重力拉近,在外圍高速旋轉,產生了高溫和強大的磁場,磁場因黑洞旋轉而被扭曲,積聚了大量能量,最後經兩極噴出,形成噴流。

就是這樣,由超新星爆發拋出的各種形成生命體所需的元素,如氧、硫、鈣和鐵等,被黑洞的噴流送到更遠的星際空間。那時的宇宙只有現在的三分一大,超新星爆發拋出的生命所需元素,就像墨水滴落一杯清水中慢慢散開。而黑洞的噴流就像匙羹,把水和墨水充分搞拌,使元素平均分布在星際空間裡,隨著宇宙繼續澎漲,繼續平均地散布開去。

然後,來到46億年前,銀河系中的一團星際物質,帶著生命所需的元素,形成了太陽系,形成了地球,最後,形成了我和你。

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科學家發現,無論是離黑洞遠或近,甚至是在其他星系和我們的太陽系中,與生命形成相關的元素如鈣、鐵、硫等,的分布比例都非常接近。

今集《零距離科學》,會帶大家探訪幾位研究黑洞的科學家,跟隨他們的腳步,見證黑洞研究的重大時刻,不要錯過!

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31播映。本集於12月11日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex