宇宙的黑暗勢力——黑洞、暗物質與暗能量

宇宙的黑暗勢力——黑洞、暗物質與暗能量這個宇宙中充滿了黑暗勢力!這可不是指黑道、幫派之類的黑暗勢力,也不是指邪惡帝國、魔鬼之類的黑暗勢力,而是指三種看不見、無法直接偵測到的「玩意」:黑洞、暗物質(dark matter)與暗能量(dark energy)。它們是天文學術界中最熱門的話題,也是待解的謎。小至恆星結構與演化,大至星系、甚至宇宙的結構與演化,都與這三者有關。

美國航空暨太空總署在 2003 年 2 月 11 日召開記者會,宣告最新測得的宇宙物質的成分,認為宇宙中只有百分之四是一般物質,百分之二十四是暗物質,百分之七十二是相當奇異的暗能量。也就是說,我們所熟悉的、會發光的物質,像原子、分子,以及由它們組成的恆星、星雲、星系等,在整個宇宙中是屬於稀有的一族。

既然稱它們為「黑暗」,就表示是無法看到的,卻又察覺得到它們的存在,這三者都是「查無實物,事出有因」。我們能夠知道這些物質與能量的存在,是因為它們的重力效應,而不是它們所發出的光、電波、X光等。

光線無法逃出黑洞,當然看不見它,只能由其他方法間接偵測天體的質量來推測它是不是黑洞。暗物質本身不發光,也不是黑暗星雲,因為如果是黑暗星雲之類的物質,會遮掩遙遠天體所發出的光線,但是天文學家卻能看到極其遙遠的宇宙深處,因而排除了這個可能性。因此天文學家急於想知道暗物質到底是什麼。暗能量則是指讓整個宇宙都加速膨脹的能量,是最新發展出來的概念,這個概念也直接關係到宇宙的結局。

原先,天文學家預期宇宙在大霹靂以後,膨脹速率會被宇宙本身的重力吸引而減緩,現在竟然偵測出宇宙膨脹不但沒有減緩,而且還在加速膨脹中,這可是不得了的大事。要使整個宇宙加速,那要多大的能量啊?無以名之,天文物理學家給它一個很難懂的名稱「暗能量」。

黑洞

愛因斯坦在 1915 年提出廣義相對論,史瓦西(Karl Schwarzchild, 1873-1916)求出了重力方程的一個解,顯示有一個時空奇異點。惠勒(John Archibald Wheeler, 1911-)在 1971 年把它稱為「黑洞」,這個名詞迅速獲得大眾的注意並激發想像力,引起廣泛的討論。直到今天,仍然是天文或理論物理領域中最熱門的話題之一。

其實在愛因斯坦之前,英國的愛丁頓(Arthur Stanley Eddington, 1882-1944)曾經考慮過一顆恆星演化的終局,它本身的重力可能強大到光線都無法逃出的情況。美國氫彈之父歐本海默(Robert Oppenheimer, 1904-1967)和施內德(H. Snyder)在 1939 年提出論文,認為質量比太陽大數倍的恆星,在末期可能會潰縮到密度極高、表面重力強大的狀態。

但是,有關黑洞的理論一直只在理論物理圈內迴旋激盪,圈外卻無人過問,因為這只是一種理論,與實際的世界或宇宙並沒有關係。然而在 1967 年發現了波霎,一種發出電波脈衝的天體,認為脈衝是中子星快速自轉所產生的,這使世人認識到宇宙中確實有密度極高、重力強大的天體。認為黑洞這個概念也因此引起大眾與媒體的興趣,成為歷久彌新的話題之一。

黑洞的重力十分強大,連光(電磁波)也無法逃脫,因此沒有任何「光」可以「洩」出黑洞。假設光子的質量是 m,則一個光子與星球之間的重力位能是 ?GMm/r,其中 M 是星球的質量,r 是光子與星球之間的距離。

再假設光子的動能可以用牛頓力學寫為 mc2/2,其中 c 是光速。如果「光子的動能」等於或小於「光子與星球之間的重力位能」的絕對值,mc2/2 小於或等於 Mm/r,光子就無法從星球逃脫。

當上式是等號時,所求得的距離 r = 2GM/c2 稱為「視界」,是黑洞的半徑。也就是說,在這距離以內的光子是無法逃脫出去的。雖然這個結果是由牛頓力學類比而得到的,卻與由廣義相對論推導的結果相同,且在觀念上比較容易想像。

依據理論,在 6 至 8 個太陽質量以上的恆星,在演化末期發生超新星爆炸常會流失大量的質量。如果內核區域的質量大於 3 個太陽質量,則由於體積被壓縮至 10 公里以內,重力強大到連中子壓力(註一)都無法支撐的程度,則整個星體會被重力拉扯,一路往內收縮。碰到這種情況,量子物理學家再也想不出有什麼方法可以擋住強大的重力,只能用愛因斯坦提出的廣義相對論來描述以後的情景。

依據廣義相對論,如果把太陽質量大小的星球縮小到約 3 公里左右,它表面的重力會增為五百多億倍,強大到連光線都無法脫逃,而成為一個「黑洞」。但是,依據理論的計算,太陽型恆星在演化末期的重力不夠強,不會爆炸形成「超新星」,只能成為體積與地球差不多大小的「白矮星」。只有質量是太陽質量 6 倍以上的恆星,才有機會在演化末期爆炸形成黑洞。

既然黑洞不發光,那麼如何發現它呢?對於單獨的黑洞,天文學家目前仍然想不出好方法。但是,如果黑洞是雙星系統中的一員,則可以藉著觀測雙星的運動來推估看不到的伴星質量。如果伴星質量超過 3 個太陽質量而又看不到它,它可能就是黑洞了,至少也是黑洞的候選者。

在雙星系統中,如果其中一顆是黑洞,則另外一顆恆星在演化晚期膨脹成為超巨星時,膨脹的物質會被黑洞強大的重力吸引,依著螺旋的路徑向黑洞陷落,形成一個吸積盤(accretion disk)。物質在吸積盤中盤旋陷落的過程中,一路碰撞推擠,半徑越來越小,溫度也隨著升高。在吸積盤內層,溫度高達攝氏百萬度,而發出X光。

因此,天文學家搜索X光雙星系統,推算看不見的伴星質量,如果這個看不見的伴星質量超過3個太陽,則認為它是黑洞的候選者。

天鵝座 X?1

在所有黑洞候選者中,天鵝座 X?1 公認是最有可能的候選者。天鵝座「X?1」表示它是天鵝星座第一個被發現的X光來源。與可見光影像對照後,發現它的位置與一顆名為HDE 226868的藍色超巨星重疊。

分析這顆藍色超巨星的光譜,發現它有一個看不到的伴星,互繞的軌道周期是 5.6 天。估算雙星的總質量後,再扣除 HDE 226868 本身的質量,發現看不見的伴星質量在 6 至 8 個太陽質量之間。另外,X光強度有快速的變化,顯示發出X光的區域很小,小於數百公里。綜合種種跡象,天文學家認為天鵝座 X?1 極有可能是一個黑洞。

天文學家也觀測到一些其他的黑洞候選者,例如小麥哲倫雲 X?3、X光雙星系統 A0620-00 等。

密緻天體

白矮星、中子星、黑洞的性質並不像一般恆星,它們體積十分小,密度非常大,天文學家通常稱它們為密緻天體。天文物理學家仍然未能完全了解這些密緻天體的物理性質,例如白矮星與中子星的冷卻速率、表層結構等,都是極具挑戰性,也是非常重要的問題。如果能掌握白矮星的冷卻速率,就可以透過觀測白矮星的表面溫度來推算它的年齡,這也是評估銀河系或宇宙年齡的一個方法。

太陽與密緻天體密度的比較:一小湯匙的
太陽物質   重約一公克
白矮星物質  重約一公噸
中仔星物質  重數千萬公噸至一億公噸

巨大黑洞

除了恆星量級的黑洞外,許多天文學家相信星系中央有質量超過1百萬太陽質量的超級大黑洞,我們的銀河中心也有個這樣的巨大黑洞。

天文學家利用光譜測量星體的速度,發現星系中心周圍的天體都以極高的速度,繞著星系中心運動。如果星系中心沒有巨大的質量產生強大的重力,如此高速運動的恆星勢必飛散,無法形成穩定的系統。然而,一百多萬個太陽質量的物質聚集在只有數光年的範圍中,密度之高已經超出牛頓力學的範疇,只能用廣義相對論中的「黑洞」概念來描述。

電波天文學家在探測銀河中心區域時,發現到一個很強的電波源,稱為「人馬座A*」,距離我們約 2 萬 5 千光年,認為是銀河中心的位置。

天文學家把錢德拉X光太空望遠鏡對向「人馬座A*」,發現它發出X光,但是強度很低不足以顯示有巨大黑洞的存在。但是在 2000 年 10 月,偵測到「人馬座A*」區域在 3 個小時內產生明顯的變化,推算出X光源的直徑相當於地球至太陽間的距離,也就是 1 億 5 千萬公里,估計其質量是太陽的 260 萬倍。

銀河中心區遍布雲層,可見光無法穿透,但是電波與紅外線能夠穿透雲層,因此天文學家利用電波與紅外線望遠鏡來觀測銀河中心。天文學家使用紅外線望遠鏡對銀河中心數光年之內的恆星,進行長期的監測,累積 8 年以上的時間,觀測這些恆星的移動。結果顯示銀河中心的質量超過太陽的 1 百萬倍,擠在 0.02 光年的狹窄空間內,這是一個很強的證據顯示銀河中心有一個超級大黑洞。

科學家在 1997 年檢驗哈伯太空望遠鏡所拍攝的星系 NGC 6251 的影像,影像可以分辨 50 光年的細節,發現它可能有一個巨大的黑洞。星系 NGC 6251 位於大熊座方向,距離地球約 3 億光年,它的中心周圍有塵埃盤面圍繞著,核心非常明亮,符合黑洞的特徵。

M84 是室女座星系團中的一個橢圓星系,距離地球約 5,500 萬光年,它有一個塵埃圍繞的核心。天文學家使用裝置在哈伯太空望遠鏡的影像光譜儀,測量到 M84 中心 26 光年內的速度是每小時 140 萬公里,再推算出其質量至少是太陽的 3 億倍。這麼大的質量擠在如此小的空間裡,除了形成一個巨大質量的超級大黑洞外,目前想不出有其他的解釋了。

暗物質

暗物質的發現與一位女性天文學家有關。薇拉‧魯賓(Vera Rubin)和她的研究伙伴在 1970 年代研究銀河系與其他大型渦狀星系的運動,發現在星系中心外圍的恆星速率並沒有如預期地減慢,而由運動速率可以估計星系的質量,天文學家早就發展出一套由光度推算出質量的模式,兩相比較之下,意外發現星系的物質遠比光學望遠鏡所觀測到的多得多。隨後,愈來愈多的研究也顯示同樣的結論。

依據星系運動模式,確實應該有這麼多的物質,不然這些恆星早就飛散了。而天文學家知道星系是一個穩定數十億年以上的系統,必須有大量的物質才能束縛這些高速運動的恆星。這些物質如此神祕,不發出可見光、電波、X光等電磁波,也不是黑暗的雲狀物。天文學家弄不清楚它到底是什麼,一下稱它為「迷蹤物質」,一下子稱它為「暗物質」,後來統稱為暗物質。

「迷蹤物質」一詞並不是魯賓發明的。早在 1930 年代,美國威爾遜山天文臺的茲威基(F. Zwicky)在研究后髮座星系團時,分析其中一些星系相對於星系團的速度,計算需要多大的重力整個星系團才不會飛散。計算的結果顯示,依據重力所計算的質量,遠大於用發光天體所推算的質量,也就是整個后髮座星系團有百分之九十的質量是看不見的,他稱之為「迷蹤物質」。但是他的推論淹沒於浩瀚書海中,並沒有引起「浪花」,直到魯賓與其他研究群也得到類似的結果後,才逐漸成為天文學術界主要的議題之一。

然而,暗物質到底是什麼,卻不是這麼容易就得到一致的結論。基本上,天文學家分為兩派:一派認為暗物質是幾乎沒有質量、很難與其他物質發生作用的微中子;另一派則認為是一些小而無法觀測到的天體,例如棕矮星、行星、小行星等。目前科學界仍在探尋暗物質的本質。

棕矮星

棕矮星是介於「恆星」與「行星」之間的星體。它的質量不夠大,比百分之八的太陽質量還小,因此中心的溫度不夠高,不足以引發使一般恆星發光發熱的氫融合反應。另一方面,它的質量又太大,溫度足以讓整個星體成為游離狀態,不像行星是以中性的原子、分子為主。

棕矮星的觀念在 1960 年代就提出了,但是一直無法獲得觀測的證實。直到哈伯太空望遠鏡在 1995 年拍攝到第一顆棕矮星的影像,才證實其存在。

德國天文學家葛利斯(Wilhelm Gliese, 1915-1993)製作了一個太陽鄰近區的星表,是天文學家尋找太陽附近天體時常用的參考星表。其中 G229 是一個光譜為M型的棕矮星,位於天兔座,距離地球約 18 光年。在 1994 年,天文學家利用美國加州帕羅瑪山的 60 英寸反射鏡,配置調適光學(adaptive optics),在遠紅光波段拍攝到的影像,顯示 G229 旁邊有一顆黯淡的小星 G229B,兩星的距離與太陽-冥王星間的距離相當。在哈伯太空望遠鏡 1995 年 11 月的影像中,可清楚分辨出 G229B,確定它是一個棕矮星,質量大約是木星質量的 20 至 50 倍。

目前發現的最低溫棕矮星是2MASS 0415?0935(註 2),位於波江座,距離地球只有 19 光年,體積與木星差不多,表面溫度只有攝氏 410 度,比一般家用烤爐高數百度,但比燃煤的溫度低。分析 2MASS 0415?0935 的光譜,顯示它的大氣中含有甲烷與水蒸氣,屬於最低溫天體的特性,光譜分類是T型。

棕矮星並不能像恆星一樣自己產生熱,而是靠著形成時所遺留的殘熱,隨著時間流逝而散熱,逐漸冷卻。棕矮星原先的熱與冷卻速率依據其質量而定,質量越大,起始溫度越高,散熱也越慢。

目前已經發現了數百顆棕矮星。依據估計,棕矮星對暗物質的貢獻,最多只有三分之一。因此,暗物質的本質仍屬待解的謎。

黑暗能量正在加速宇宙

如果常留意新聞報導或天文新知,可以發現在過去數年中,常會看到「黑暗能量」一詞。全球知名科普刊物《科學美國人》(Scientific American,中文版是《科學人》)以它為 1999 年元月的封面故事;美國兩大知名通俗天文雜誌《天空與望遠鏡》(Sky & Telescope)及《天文》(Astronomy),也都為文介紹過這個名詞與觀念。

經過十年對超新星事件之類的研究,顯示宇宙正在加速中。美國能源部的勞倫斯-柏克萊國家實驗室進行一個國際性的「超新星宇宙論計畫」。在 1998 年,「超新星宇宙論計畫」與另一「高紅移超新星搜尋」研究團隊合作,兩團隊的方法相同,但後者使用澳洲天文台的望遠鏡觀測到數打超新星,包含一些極遙遠的超新星。

兩研究團隊都藉著觀測超新星,嘗試測量宇宙膨脹變化率,以探討宇宙的起源、結構與末日。經過十年的研究,結果顯示宇宙正在加速中。

研究群原先假設:「由於物質被重力吸引,宇宙膨脹會被重力拖慢」,因此預期觀測到宇宙膨脹減速的幅度。但是令人意外地,兩研究團隊發現竟然沒有減速,而是在加速中。這消息迅速在科學社群中傳開。

另一研究群以另一種方法,也提出「黑暗能量」的觀測證據。他們觀測了 2 萬 5 千個星系團,與宇宙微波背景輻射比較,檢驗兩者間的差異。發現這些區域的微波背景輻射溫度有些微的上升,這種情況只能以黑暗能量解釋,因為星系中包含了黑暗能量,使通過其間的光子能量增加。

「黑暗能量」使宇宙間有一種斥力,是 1917 愛因斯坦在解重力方程時,為了維持穩態的宇宙,所增加一項稱為「宇宙常數」的假設。它是說萬物間有互相排斥的力量,而且兩物質相距愈遠,排斥力愈大。這個排斥的力量,阻擋了收縮的重力,使得宇宙維持在穩定的狀態。

後來,美國天文學家哈伯在 1929 年發現遙遠星系都在遠離中,而且距離越遠的星系,奔離的速度越快,這便是著名的哈伯定律。哈伯定律證明了宇宙正在膨脹中,因此宇宙常數所代表的宇宙斥力的假說也就銷聲匿跡了,愛因斯坦也說這是他一生中最大的錯誤。

但是,事情總是峰迴路轉、有起有伏。最近從宇宙膨脹現象的觀測中,發現宇宙似乎在加速膨脹。這就奇怪了,重力只會拖慢膨脹速率,那麼是什麼使宇宙膨脹加速呢?而且是屬於宇宙尺度的範疇,要把整個宇宙加速,所需要的能量可是大得難以想像。科學家無法解釋宇宙加速膨脹的原因,又把愛因斯坦當年的假設搬出來,也給了一個具有充分想像力的名詞─「黑暗能量」。又說,愛因斯坦的錯誤很可能是個「美麗的錯誤」。

目前,有關宇宙膨脹的解釋不只黑暗能量一種說法,理論物理學家正在設法解釋觀測到的現象,可能需要數年的時間,也可能需要數十年,誰知道呢?確定的是,如果有人的理論可以通過層層爭論與觀測的考驗,就表示人類對宇宙的認識又更進一步。

黑暗與光明是相對的,必須共存才各有意義。過去一世紀以來,黑洞、暗物質吸引了眾多專家與媒體的注意,到了20世紀末,黑暗能量又成為流行的名詞。希望在這新的世紀結束前,科學家能揭開這宇宙間3種黑暗勢力的面紗。

註 1:中子星本身是由中子構成,用來抵抗重力的壓力,物理專有名詞是「中子簡併壓力」。

註 2:2MASS 是「兩微米全天監測計畫」(Two-Micron All-Sky Survey)的簡寫。