巨大美麗的黑洞是什麼?揭開這神祕天體困擾物理學界超過300年的謎!

(圖/unsplash)
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文/陳明堂(《捕手》作者,中研院天文所研究員)

捕捉黑洞

某天,社來訊,邀我列名推薦這本改版書《黑洞簡史》。我未曾與貓頭鷹有來往,突然被邀請,心想大概是因為我的人生第一本書《黑洞捕手》把自己變成了黑洞專家。現在承蒙器重總是感謝。進一步想想,若是因此推出一本好的科學書,增長對大眾對科學知識與素養,那是美事一件,不得不做。從瀏覽了書的內容,發現書裡頭已經獲得多位名人的美言與推薦。其中有共事的陳丕燊老師與久聞其名的高涌泉老師;加上萊特曼和梭貝爾是我喜歡的科普作者。能夠跟這幾位人士一同推薦好書,與有榮焉。

就如這些國內外專家學者的感言,作者梳理近代物理的發展與演變,內容涵蓋相當廣泛。其中幾乎道盡近代科學大師在物理學中的重大貢獻,特別是在古典力學與相對論之間的演化,有生動活潑的描述。本書內容豐富,包含了眾多的人物與相關的重要科學題目。對於正在研習近代物理,或是有相關背景訓練的讀者,提供了一個非常生動的真人故事。(頗似金庸小說對了解中國歷史的助力。)這本書讀來自然順暢,翻譯功力一流。書中不管在英中文意的轉換、文筆能力、與科學涵養,都能有自然的呈現,感覺不到一般科學名詞生澀拗口的印象,讓這本科普著作頗有親和感。

如果我能夠再說點什麼,大概就是關於過去六十年來天文學家對於找尋黑洞存在證據的一些故事吧。細心的讀者可以發現,在一九六○年之前,由於缺乏觀測方法和實驗證據,黑洞的研究只是侷限在理論學家的論文裡頭;是他們互相說嘴的題材罷了。隨著技術的發展,天上發現了類星體和X光射線源這種星體。當時的科學家沒辦法用已知的機制,解釋這些奇怪的星體如何發射出超級巨大的能量。新的問題需要突破性的思考。因此推測這些現象就是來自傳說中的黑洞。但是,黑洞的概念還是一個非常奇特的想法,加上那是一個幾乎無法證明存在與否的星體:不發光的星體,如何觀測呢?總不能說發出強烈X光的發射源就是黑洞吧?做實驗的科學家有時開玩笑地說:「三個理論學家可以發明九個不同的黑洞理論。」科學界中還是有人不相信黑洞真的存在。因為有太多的理論都只是存在於數學的維度空間裡頭,跟真實物理世界是不相干的。

物理上的黑洞有質量、密度,加上一個比較特別的自旋,也可能帶有電荷。它就只有這幾個物理參數,沒有其它的性質。自旋與電荷還不知道如何著手量測;質量和密度就有方法可循。已知質量的星體,可以從它的密度決定是否是個黑洞。換句話說,如果知道質量,並且可以量測到它的「大小」,就可以決定黑洞是否存在。從牛頓的時代,我們就知道如何估計太陽的質量。現代的做法更是精準:從長期觀測星體的運動軌道,可以計算它們各個的質量大小,所以量測質量不是問題。問題是確定星體的大小,特別是距離我們幾千個光年的星體,那就難了。同樣大小的星體,距離我們愈遠,看起來愈小,甚至就只是一個光點。要能夠分辨它們的大小,需要大望遠鏡。但是黑洞又不發光,那要怎麼測量它的大小呢?

科學講究實證。唯一可以解開黑洞是否存在的困擾,就是要付諸實驗證明。當時最有可能的黑洞候選人就是銀河系中心的超強電波源。這個電波源被銀心周圍的星際塵埃團團包圍,可見光的影像就是霧茫茫的一團,看不出個所以然來。倒是電波的特點就是能夠穿越塵埃,透露出銀心周圍的影像。觀測電波源可以使用一種當時剛剛發明的「孔徑合成」(Aperture Synthesis)技術。利用所謂的「特長基線干涉法」(Very Long Baseline Insteferometry),把不同地點的電波望遠鏡,組合成單一個超大型望遠鏡。發明這種技術的兩位英國學者,馬丁.賴爾(Martin Ryle)和東尼.休伊什(Tony Hewish)因為這個發明,獲頒一九七四年的諾貝爾物理獎。

就在一九七○年,一位剛從MIT畢業的天文物理學家魯國鏞先生,首次應用這個新的方法來觀測銀河系中心的電波源。可惜,那一次他的實驗沒有成功。倒是讓另外兩位美國國家電波天文台的學者,在一九七四年的時候拔得頭籌,確定電波源的確存在。他們的觀測雖然無法確認它到底是多小的星體,但是確定「孔徑合成」的技術是接下來找尋的黑洞證據的有效技術。技術可以改善,突破性的科學成果,指日可待。結果,這一等就是十五年。時間快轉到一九八五年,魯國鏞與他的合作團隊終於克服了層層的技術障礙,取得銀心電波源的最新研究成果,並將論文發表在一九八五年五月九號《自然》科學雜誌。他們的觀測結果:該電波源是個直徑小於二十個天文單位,擁有三百萬個太陽質量的星體。二十個天文單位大概就是土星繞著太陽軌道的直徑,可以想成在這個範圍內塞了三百萬個太陽。因此得到一個重要結論:銀河系中心是一個「大質量塌縮」的星體。這個發現,還登上各大報紙。時代雜誌(Time,June 3, 1985)還專文介紹。這是當時證明黑洞存在的最強力證據。

本書也提到LIGO「聽到」重力波的實驗。重力波是由兩個緻密星體(黑洞、中子星之類的)相撞所發出的時空波動。根據量測到的波動,反推相撞星體的質量大小和它們之間的間距。目前重力波的量測,可以分辨出緻密星體是否是中子星或是黑洞,但是很難確切的定位這些相撞事件的位置。有點「空山不見人,但聞人語響」的境界,只是不太能確定聲響是從哪裡發出的。這是一個普查中子星和所謂的「恆星型黑洞」的有效方法。

一九九○年代,銀心重力場的研究圈子出現了另一種新方法。當時有兩組研究團隊,分別使用剛剛發明的紅外線干涉法,觀測銀心周圍星體的移動。這是個磨練年輕研究生的工作,因為這個實驗必須花費長達十數年的時間追蹤星體的軌跡。從數百個星體的移動軌跡更精確地推出銀心電波源的質量,以及它的大小。這項研究再次推論出銀心的電波源,非黑洞莫屬。兩位領頭的科學家,安德烈婭.蓋茲(AndreaGhez)和賴因哈德.根舍(Reinhard Genzel)也因此獲得二○二○年諾貝爾物理獎。

書名:《黑洞簡史:從奇異點到重力波,愛因斯坦到霍金,清晰解析困擾物理界300年的神秘天體》
作者:芭杜席雅克(Marcia Bartusiak)
出版社:貓頭鷹/城邦文化
出版時間:2022年9月17日

魯國鏞在一九九七年時受聘到台灣中研院擔任天文所所長,帶領台灣團隊建造「次毫米波陣列」(The Submillimeter Array)。這個科學實作計畫是台灣天文界踏入電波天文的奠基石。後來天文所的科學團隊繼續參與國際望遠鏡的開發與建造,陸續完成「阿爾瑪陣列」(Atacama Large Millimeter Array,ALMA),組織東亞天文台並接手麥斯威爾望遠鏡(James Clerk Maxwell Telescope),一直到最近剛剛完成的「格陵蘭望遠鏡」。二十幾年的時間,中研院天文所參與建造、運作的望遠鏡成為「事件視界望遠鏡」的主要機構,並且擷取到歷史性的黑洞影像。二○一九年「事件視界望遠鏡」團隊發布M87黑洞影像,二○二二年發布銀心黑洞影像。這是一段台灣的科學家參與擷取黑洞影像的故事。有興趣的讀者可以參考《黑洞捕手》。

過去一甲子的歲月,眾多的科學家汲汲營營地追求黑洞的證據,限於篇幅,就只能用幾個簡短的故事代表。若是沒有這些付出,那麼黑洞可能依舊還只是《三體》中的一幕幻想的場景。希望這篇短文,能替這本《黑洞簡史》補充一些未竟之史,讓讀者能夠更完整的了解科學迷人的內涵。

●本文摘自貓頭鷹出版之《黑洞簡史》推薦序。


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