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/astronomy_detail.php?lang=tw&id=1058