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分享 網管 - 科學新知 | 2020-10-09 | 人氣:194

 臺北市立天文科學教育館 2020-10-07 訊

 

揭露宇宙最黑暗的秘密:黑洞 ──2020諾貝爾物理獎

 

2020的諾貝爾物理獎揭曉,其中一半頒給英國數學物理學家Roger Penrose,因其發現黑洞的形成是廣義相對論的有力預測。而另一半則由德國天文學家Reinhard Genzel及美國天文學家Andrea Ghez,因發現銀河系中心的超大質量黑洞。
 
當大質量恆星到演化終點,首先引發超新星爆炸,接著塌縮成非常緻密的黑洞,其重力強大到連光都逃不出去。要產生黑洞,必須把太陽壓縮到3公里小。黑洞是宇宙中最奇特的物體,連愛因斯坦都不相信它真的存在。而Roger Penrose發明了精巧的數學方法來演繹廣義相對論,並推論出黑洞的形成和性質。他在1965年所發表的論文,對廣義相對論有極重要的貢獻。
 
Roger Penrose提出囚陷曲面(trapped surfaces)這個描述黑洞的數學工具,在其內的光線都指向黑洞中心。藉此他證明黑洞中心存在奇異點,時間和空間都會在此消失,而已知的物理定律都無法適用。一旦穿越黑洞的事件視界(event horizon)就不能回頭,隨著時間流逝所有東西都將掉進奇異點。在廣義相對論中,時間和重力有著密切關係,對在地球上的人來說,腳底下時間的流逝比頭頂慢一兆分之一秒(GPS定位就是根據此原理)。當你跨越超大質量黑洞的事件視界,並不會有奇怪的事情發生,但事件視界外的人將覺得你花無限久的時間跨越。我們無法看穿事件視界,黑洞的內部將被它遮住。


 

 

圖說(左):當大質量恆星因為自身的重力塌縮形成黑洞,所有經過事件視界的東西都會被抓住,連速度最快的光線也無法逃脫。在事件視界,時間取代空間,隨著時間流逝,所有的東西將被帶向靠近黑洞中心的奇異點。奇異點的密度無限大,時間和空間在此終結。圖說(右):光錐頂點代表現在,箭頭指向代表時間方向,而固定時間的平面代表的是空間。未來光錐的範圍,是指光從現在起可以傳播的範圍。由於物體移動不會超過光速,因此其移動的軌跡都包含在光錐的範圍裡。理論預期當物質塌縮形成黑洞,在事件視界內的光錐其時間方向指向黑洞中心。事件視界外的觀察者,只能見到光線慢慢往事件視界推進而不會到達。

雖然無法看穿黑洞,但我們可藉由觀測它的強大重力對附近恆星運動的影響,來了解它的性質。Reinhard Genzel和Andrea Ghez各自帶領研究團隊,利用紅外線波段來穿透眾多星際氣體和塵埃,並使用大口徑望遠鏡,對銀河系中心的人馬座A*進行長期的研究。追蹤銀河中心的亮星運動軌跡,發現在離中心約1光月的地方,有看不見的大質量物體,拉著恆星快速繞轉。其中一顆星(S2)花16年繞轉銀河系一圈,提出可靠證據,顯示在人馬座A*附近有超大質量黑洞,約4百萬倍太陽質量,擠在僅太陽系尺度的空間裡。他們持續不斷的研發和精進技術,製造獨特的儀器,例如提高感光元件的靈敏度、根據大氣擾動自動校正鏡面等,使解析度提高了上千倍,得以精確決定恆星的位置。Reinhard Genzel和Andrea Ghez的前瞻性研究,開創了新一代驗證廣義相對論的方法。

 




今年的諾貝爾物理獎,揭露了宇宙最黑暗的角落。這是一個全新的開始,當我們望向黑洞的視界,大自然會向我們揭露更多的驚喜。
資料來源:THE NOBEL PRIZE

 

原文網址:https://www.tam.museum/astronomy/astro ... l.php?lang=tw&id=1058