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展望春季系列》类星体 照亮宇宙史


2011/03/13 【联合报□记者陈幸萱／台北报导】


什麽是黑洞，科学家如何得知黑洞的存在？宇宙形成的早期是什麽状况，
我们又要怎麽找出第一个形成的恒星或类星体？

国家科学委员会主办，台湾大学物理学系暨天文物理研究所承办，联合报
、科学月刊、科学发展月刊、科学人杂志、NEWS 98、Discovery 频道协办
的「2011展望春季系列演讲」，上周五第1场由澳洲墨尔本大学天文物理所
主任瑞秋．伟柏斯特（Rachel Webster）讲「第一个类星体□了解超大质
量黑洞的第一步」。


黑洞超重 光也出不了

对黑洞稍微有点了解，就会知道它是一个密度极高的物体，连光也无法脱
离其重力场。瑞秋解释，这是因为黑洞的质量很大，「脱离速度」比光速
还高。

宇宙中的天体都有重力场，例如由地球往外抛掷东西，大都会受到重力影
响而掉落到地上。但如果抛掷的速度够大，达到每秒11公里，物体就会刚
好脱离地球的重力场往外太空飞去，这个速度就是「脱离速度」。而黑洞
因为质量大、重力场非常强，脱离速度比光速还高，因此连光都「出」不
了黑洞。

既然连光都无法脱离黑洞，我们就无法藉由各种波段的望远镜观测到，科
学家如何得知黑洞存在？

这是因为科学家观测到，宇宙中有一些物体围绕著我们「看不到」的东西
旋转；利用克卜勒定律计算，可以得知这些看不到的东西，拥有非常大的
质量。

瑞秋放映一段影片，是由1992至2006年的天文观测数据组合而成。14年中
，天文学家观测到银河中心附近的几个恒星，以椭圆形的轨道绕著一个侦
测不到任何光波讯息的中心天体旋转。瑞秋说：「因为可以测量中心天体
的质量，所以知道我们银河中心的大黑洞确实是存在的。」

类星体是什麽，和黑洞又有何关系？演讲主持人、台大天文所教授孙维新
解释，有许多距离我们极为遥远的星系，其核心都可能有一个黑洞持续在
吞噬周边的物质，而物质在「掉」进黑洞的过程中会释放能量，让这个星
系的中心格外明亮，远看就像是一颗恒星，所以称做「类星体」，藉由各
种不同波段的望远镜所观测到的辐射，科学家可以仔细研究宇宙中的各个
类星体。

而藉由测量宇宙中微波辐射的分布，科学家可以画出有冷热区域分布的「
全天图」；分析温度中的微小变化，就能够精准地测量时空几何，判断宇
宙中有多少正常物质、暗物质，和暗能量。同时因为光波从远处传到地球
，需要几十亿年甚至上百亿年，因此依据现在所接收的光波所绘成的「全
天图」，可以用来了解早期宇宙的物理。


137亿岁 宇宙组成改变

瑞秋说道，科学家按照观测模拟，得出宇宙年龄约137亿年，宇宙形成早期
，约有5%的组成是原子，23%是暗物质，72%是暗能量。宇宙中较密集的小
区域就会形成星系；第一颗恒星则约在大霹雳後2亿年诞生。随著宇宙演
化，宇宙内的组成也会有所改变，例如暗物质的比例从63%降为23%，暗能
量的比例则大幅增加。

据科学家了解，在宇宙生成初期，是热、稠密而且充满辐射的。当宇宙开
始膨胀後，宇宙的温度才开始冷却。大爆炸之後30万年，原子开始形成，
1亿年後，恒星开始形成，10亿年後，才有星系和类星体产生。

瑞秋说，宇宙较早期的微波背景辐射时期就像「黑暗时期」；电子和质子
结合形成氢原子，吸收宇宙中的紫外光子，使得紫外光无法顺利穿透宇宙
。

「黑暗时期」後，第一个光源来自第一颗恒星及类星体。它们放出紫外光
、把原本电子和质子结合构成的氢原子游离，对於这些高能光子来说，宇
宙变成「透明的」，可以穿透过宇宙中薄纱般的中性氢原子，我们才能观
测到恒星和类星体。

目前在澳洲西侧，科学家正在建造长波段电波望远镜观测站；瑞秋说，兴
建中的望远镜可以观测宇宙「再游离时期」的红外线或无线电波，希望能
藉此找出宇宙中的第一代恒星和第一个类星体。