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展望春季系列》類星體 照亮宇宙史


2011/03/13 【聯合報╱記者陳幸萱／台北報導】


什麼是黑洞，科學家如何得知黑洞的存在？宇宙形成的早期是什麼狀況，
我們又要怎麼找出第一個形成的恆星或類星體？

國家科學委員會主辦，台灣大學物理學系暨天文物理研究所承辦，聯合報
、科學月刊、科學發展月刊、科學人雜誌、NEWS 98、Discovery 頻道協辦
的「2011展望春季系列演講」，上周五第1場由澳洲墨爾本大學天文物理所
主任瑞秋•偉柏斯特（Rachel Webster）講「第一個類星體—了解超大質
量黑洞的第一步」。


黑洞超重 光也出不了

對黑洞稍微有點了解，就會知道它是一個密度極高的物體，連光也無法脫
離其重力場。瑞秋解釋，這是因為黑洞的質量很大，「脫離速度」比光速
還高。

宇宙中的天體都有重力場，例如由地球往外拋擲東西，大都會受到重力影
響而掉落到地上。但如果拋擲的速度夠大，達到每秒11公里，物體就會剛
好脫離地球的重力場往外太空飛去，這個速度就是「脫離速度」。而黑洞
因為質量大、重力場非常強，脫離速度比光速還高，因此連光都「出」不
了黑洞。

既然連光都無法脫離黑洞，我們就無法藉由各種波段的望遠鏡觀測到，科
學家如何得知黑洞存在？

這是因為科學家觀測到，宇宙中有一些物體圍繞著我們「看不到」的東西
旋轉；利用克卜勒定律計算，可以得知這些看不到的東西，擁有非常大的
質量。

瑞秋放映一段影片，是由1992至2006年的天文觀測數據組合而成。14年中
，天文學家觀測到銀河中心附近的幾個恆星，以橢圓形的軌道繞著一個偵
測不到任何光波訊息的中心天體旋轉。瑞秋說：「因為可以測量中心天體
的質量，所以知道我們銀河中心的大黑洞確實是存在的。」

類星體是什麼，和黑洞又有何關係？演講主持人、台大天文所教授孫維新
解釋，有許多距離我們極為遙遠的星系，其核心都可能有一個黑洞持續在
吞噬周邊的物質，而物質在「掉」進黑洞的過程中會釋放能量，讓這個星
系的中心格外明亮，遠看就像是一顆恆星，所以稱做「類星體」，藉由各
種不同波段的望遠鏡所觀測到的輻射，科學家可以仔細研究宇宙中的各個
類星體。

而藉由測量宇宙中微波輻射的分布，科學家可以畫出有冷熱區域分佈的「
全天圖」；分析溫度中的微小變化，就能夠精準地測量時空幾何，判斷宇
宙中有多少正常物質、暗物質，和暗能量。同時因為光波從遠處傳到地球
，需要幾十億年甚至上百億年，因此依據現在所接收的光波所繪成的「全
天圖」，可以用來了解早期宇宙的物理。


137億歲 宇宙組成改變

瑞秋說道，科學家按照觀測模擬，得出宇宙年齡約137億年，宇宙形成早期
，約有5%的組成是原子，23%是暗物質，72%是暗能量。宇宙中較密集的小
區域就會形成星系；第一顆恆星則約在大霹靂後2億年誕生。隨著宇宙演
化，宇宙內的組成也會有所改變，例如暗物質的比例從63%降為23%，暗能
量的比例則大幅增加。

據科學家了解，在宇宙生成初期，是熱、稠密而且充滿輻射的。當宇宙開
始膨脹後，宇宙的溫度才開始冷卻。大爆炸之後30萬年，原子開始形成，
1億年後，恆星開始形成，10億年後，才有星系和類星體產生。

瑞秋說，宇宙較早期的微波背景輻射時期就像「黑暗時期」；電子和質子
結合形成氫原子，吸收宇宙中的紫外光子，使得紫外光無法順利穿透宇宙
。

「黑暗時期」後，第一個光源來自第一顆恆星及類星體。它們放出紫外光
、把原本電子和質子結合構成的氫原子游離，對於這些高能光子來說，宇
宙變成「透明的」，可以穿透過宇宙中薄紗般的中性氫原子，我們才能觀
測到恆星和類星體。

目前在澳洲西側，科學家正在建造長波段電波望遠鏡觀測站；瑞秋說，興
建中的望遠鏡可以觀測宇宙「再游離時期」的紅外線或無線電波，希望能
藉此找出宇宙中的第一代恆星和第一個類星體。