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2012年3月6日 星期二

黑洞好黑!

越黑越神秘的黑洞,永遠對好奇的人們有著致命的吸引力。這次關於「超大質量黑洞」的最新研究,到底有著什麼樣的科學意涵?
重點提要
■黑洞的理論研究已有成果,然而科學家至今還是只能以間接的方法觀測。
■最近登上《自然》的超大質量黑洞觀測成果,引起了媒體的關注與社會大眾的好奇。
■這項研究探討的是黑洞質量估算法的修正,以及黑洞形成與星系演化之間的關聯。
每每提到黑洞,無論是專家或一般民眾,總是會眼睛一亮,因為,它很「黑」!在精神層面,它的黑讓好萊塢成就了無數佳作,滿足了人們的心靈,卻仍讓人意猶未盡;在科學層面,它的黑則讓科學家費盡了無窮心力,卻仍難掌其邊,空留餘嘆。既然如此空黑,那它會不會其實是空談一場,是否將成為科學史上,另一則科學家押錯寶、行錯路的故事呢?
黑洞一詞及概念雖然由來已久,但其科學內涵卻直到愛因斯坦提出相對論後,才得以落實。近一個世紀以來,黑洞的理論探究早已開花結果,最有名的成果之一,便是主張「黑洞會發光」的霍金輻射理論,這是一個將相對論與量子論整合應用成功的例子。然而在觀測方面,卻仍無可拍板之鐵證,每每有人問及「黑洞是否真的存在」,我總是回以「目前尚無定論」,接著便須面對種種黑洞觀測報導的挑戰,而我只提醒:目前為止,尚無科學家因「發現」黑洞而獲得諾貝爾獎。何故?因為黑洞之所以名「黑」,是由於它原則上不發光,所以看不到,而霍金輻射理論所預測的黑洞光線,至今也仍未得到觀測證實,否則霍金早就獲得諾貝爾獎了。
這樣的論點固然掃興,但科學家畢竟就是有過人的毅力,能將這股永不放棄的精神,轉化為人類文明演進的原動力!史上有數不清的重大發現與突破,都是在歪打正著的情況下發生的,而若不一直「打」的話,就永遠不會「著」。因此,黑洞的研究,尤其是觀測上的驗證,應該要繼續下去,也會不停繼續下去,直到我們獲得令人信服的結果為止,無論是肯定或是否定的。
近年的黑洞觀測,最具新聞性的莫過於2011年底刊登在著名國際期刊《自然》上的一項成果:〈在兩個巨型橢圓星系中各發現一個約百億太陽質量的黑洞〉(Two ten-billion-solar-mass black holes at the centres of giant elliptical galaxies)。此文引起許多媒體的報導,因為這兩個黑洞約莫是文獻中已發現黑洞中的最大者,質量皆約為太陽的100億倍!這項研究是由來自台灣、目前任教於美國加州大學柏克萊分校的馬中珮所領導的團隊,經過長達四年的探索完成的。
各媒體的報導中,在在強調這是目前史上所見「最大」黑洞,然而這並不是該論文所要強調的重點,也不是其主要的科學貢獻,這點可由論文標題及全文中皆未見「最大黑洞」字眼看出。再者,在科學觀測上要主張是最大並不容易,因為每項量測數據中都潛藏著誤差,而作者們也都很負責地指出了這點,只是媒體為了提升該報導的新聞性,大多選擇視而不見。以下就讓我們還原一下該論文的原貌,並看清其中真正的科學價值吧!
超大質量黑洞真正的科學意涵
黑洞目前在觀測上皆不可見,所以其存在及質量都得仰賴間接的方法來估算。這些間接方法中最直接的,是利用繞行於黑洞附近的恆星或星際雲氣團軌跡,來推測出黑洞的存在、位置以及質量,就好比我們可以利用太陽系裡各行星的繞日運動,來推算太陽的質量,而在黑洞的情況,常是看到數個恆星繞著一個看不見的中心運行。
用該方法推估出來的黑洞質量,在學理上被公認是較準確的,但要看到恆星繞行黑洞的現象,必須要累積多年的觀測資料、黑洞質量要很大、且該黑洞距離我們夠近等條件同時成立,才有可能,否則根本看不出其周圍的恆星有在移動。最有名的案例便是利用近20年的觀測資料,估算出在銀河系中心的人馬座A*位置上,有一質量約為400萬太陽質量的黑洞。
然而一般臆測,質量很大的黑洞大多存在於星系的中心,所以上述的人馬座A*黑洞大概是我們在自身所處的銀河系中所能見到的唯一案例,其他的大黑洞就只能往遙遠的外星系去尋找了。由於距離遙遠,通常已無法觀測到這些外星系核心處的單獨恆星軌跡,但可藉由光譜儀,透過都卜勒效應,來觀測核心處不同區域的恆星群和我們之間的相對運動,也就是在觀測核心處不同區域的光譜時,會看到混雜的紅移與藍移現象,進而推估出該區域中各恆星速率相對於總體平均速率的分散範圍(velocity dispersion)。這個速率分散範圍和這些星光的光度,都會隨著中心黑洞的質量以及恆星的質光比(mass-to-light ratio)而改變,所以只要利用電腦事先模擬,產生出一個恆星群速率分散範圍及其光度隨黑洞質量及恆星群質光比改變的模擬資料庫,便可將觀測到的資料拿來比對,推估出黑洞的質量,和其周圍恆星群的質光比。
馬中珮的團隊便是使用這個方法來估算黑洞的質量,得到的結果是:NGC3842星系核心的黑洞質量在72~127億太陽質量之間(中心值約為97億),而NGC4889星系(即離我們很近、著名的后髮座星系團中最亮的星系)核心的黑洞質量為60~370億太陽質量之間(中心值約為210億)。以上的誤差範圍具有68%的統計重要性(統計上稱為68%的信心水準),也就是科學家有68%的信心認為黑洞的質量是介於上述的範圍內。而這些範圍的下限,並沒有遠大於2011年另一團隊在M87星系中量測到的63億太陽質量黑洞。
【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2012年第121期3月號】

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