人類怎樣開始思考黑洞,今天又對它有何認識?

人類怎樣開始思考黑洞,今天又對它有何認識?

我們想讓你知道的是

黑洞不是會防止光線離開才稱為「黑洞」嗎?人類是怎樣開始思考黑洞,今天我們又對它有甚麼認識呢?本集紀錄片會為大家介紹大有關黑洞的種種。

文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

2014年的電影《星際啟示錄》(Interstellar)為觀眾帶來絕佳的視覺效果,最令人深刻的莫過於電影中呈現的黑洞。當微小的太空船在巨大的吸積盤(accretion disk)光環邊飛過時,我們著實感受到黑洞的宏偉與可怕。不過為何《星際啟示錄》的黑洞是那麼光呢?黑洞不是會防止光線離開才稱為「黑洞」嗎?人類是怎樣開始思考黑洞,今天我們又對它有甚麼認識呢?本集紀錄片會為大家介紹大有關黑洞的種種。

我們對黑洞的構想始於十八世紀。英國學者約翰·米歇爾(John Michell)及法國學者拉普拉斯(Pierre-Simon, marquis de Laplace)均提出了黑洞的假設。當時光是波還是粒子還在辯論之中,而湯瑪士·楊格的雙縫實驗亦尚未出現,有不少科學家仍接受牛頓的光微粒理論,認為光也是物質之一。既是物質,那麼光自然會受引力所影響。米歇爾及拉普拉斯認為若某些星體的引力過於強大,甚至令光微粒無法逃脫,那麼我們就不會看見那些星體。他們稱這些構想中的東西為「暗星」(dark star)。

後來光波理論於十九世紀漸漸佔上風,而當時認為波不受引力所影響,故此「暗星」的理論逐漸被人遺忘,直到二十世紀。二十世紀最重要的物理學發展當然少不了愛因斯坦的相對論,而黑洞理論的「重現」跟相對論有著莫大關係。

愛因斯坦重力場方程式(Einstein field equations)讓我們能計算出物質與時空彎曲的關係。愛因斯坦本人最初只提出了近似解(approximated solution),而精確解則由卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)所解出。愛因斯坦重力場方程式的解法帶來了有關史瓦西半徑(Schwarzschild radius)的無數討論,而史瓦西半徑就是當物質的半徑少於這個數值時,任何東西(包括光線)都無法從中逃脫出來。

由此可見,黑洞理論的重現跟十八世紀的初現一樣,也是基於思辯及數學計算。不過科學理論若沒有實際的觀察來支持,仍是有所不足的。因此最初黑洞理論也並非為人人所接受。可幸的是二十世紀下半葉天文學為我們帶來了不少相關的觀測,讓我們逐漸確認黑洞的存在。

黑洞在定義上是無法直接被觀測的,因此人們只能間接觀察黑洞所帶來的影響,從而斷定出它們的存在。人類第一次觀察並斷定黑洞的存在是在1964年。當時一架火箭在天鵝座(Cygnus)發現強大的X光源頭Cygnus X-1。科學家在Cygnus X-1上發現一顆藍超巨星,然而該藍超巨星理論上無法產生該強度的X光,因此附近必定有另一顆「看不到」而且極大質量的東西存在。這是我們第一顆「觀測到」的黑洞。

在我們所身處的銀河系中心也有顆巨大的黑洞在,它被稱為人馬座A*(Sagittarius A*)。人馬座A*在二十世紀初被人發現,人們斷定那裡有著巨大的質量,不少人也認為那是一顆巨型黑洞。然而那些質量是真的來自於黑洞,還是由無數的暗黑天體合力所帶來的,這個問題到近十多年始得解決。除了依賴X光及無線電波等來觀察,因為有顆名為S2的恆星會在人馬座A*附近掠過,所以科學家能藉觀察S2的軌道來判斷那裡的「地形」是怎樣的。若S2經過人馬座A*呈不規則軌道,那麼那裡很可能有一大堆暗黑天體藉引力從四方八面拉扯穿過其中的S2。相反,若S2的軌道是平順的,那麼比較可能的是引力來源是單一而巨大的物體,亦即是黑洞。觀測結果是支持後者的結論。S2恆星同樣令我們能間接觀察黑洞並理解它的特質。

那麼我們只能夠停留在間接觀察黑洞的層面嗎?於2019年有張照片震撼了學界及大眾,那是人類第一次直接拍到黑洞的真面貌。事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, ETH)是一個結合世界各地的電波望遠鏡來觀測天體的計劃。EHT拍下了室女A星系(Messier 87)中心的巨型黑洞。若你看過那幅照片,大概會記得那看起來像一個光環──外頭有一環橙白色的光暈,中間則有個全黑的圓形。你也許會疑惑,黑洞既然是無法觀測的,我們怎能「拍下」它呢?嚴格來說,EHT依然沒有「直接看到」黑洞,我們看到的只是黑洞外圍的吸積盤(accretion disk)。吸積盤是受黑洞吸引、在黑洞外盤旋、準備被吸進去的物質,這些物質因引力及磨擦而升溫,從而產生電磁輻射。我們拍到的就是那些輻射,然而這些輻射也同時把隱秘的黑洞以剪影方式勾勒出來。《星際啟示錄》就是以這種方式來呈現黑洞。

今天黑洞依然為人們帶來不少迷思與想象,相信它往後也會繼續令我們對時空及實相的認識有著新的衝擊與變革。

(香港電台外購紀錄片《終極黑洞》將於1月4日10pm在港台電視31播映。)

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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