2020諾貝爾物理學獎

生活科學趣談

銀河系(Milky Way)是一個包含太陽系的棒旋星系,銀河系中心(Galactic Center)有個大質量的緻密天體,估計其質量為431 ± 38萬太陽質量,這種質量集中的最好解釋就是存在著黑洞。人馬座 A 就位於附近,其由3個部份組成:超新星遺跡的人馬座A東星、螺旋結構的人馬座A西星與緻密的無線電波源人馬座A*,它們在可見光觀測下被銀河系旋臂的宇宙塵埃所遮蔽

天文學家相信人馬座 A*(Sagittarius A*)就是銀河系中心的超大質量黑洞

德國天體物理學者 Reinhard Genzel 觀測靠近人馬座A*的 S2 恆星之運動軌跡長達16年,證明這個具有超大質量而控制著我們銀河系中心恆星軌道的隱形物體就是黑洞,除了查明其位置,並且還推導出黑洞的質量

Reinhard Genzel 研究團隊測得S2在近拱點的速率為7,650公里/秒(光速的2.55%),這使他們能夠以相對論速度來預測廣義相對論的重力紅移,從而進一步證實了這項理論

銀河中心這個超大質量黑洞的史瓦西半徑(黑洞視界半徑)估計約為780萬公里。史瓦西半徑的簡單推導可從逃逸速度的公式得來,逃逸速度是擺脫重力場的引力束縛而飛離所需的最低速率。將逃逸速度設為光速,配合萬有引力常數及天體質量,便能得出史瓦西半徑Rs = 2GM / C2(註:此公式實際上是由廣義相對論的Schwarzschild Solution所得到的結果)。去年轟動全球的M87黑洞的史瓦西半徑則是190億公里

美國天文學者 Andrea Ghez 的研究則使用高空間分辨率成像技術,位於夏威夷Mauna Kea山頂的凱克望遠鏡即是採用能夠校正湍流大氣的抖動影響而具有 調適光學 技術的鏡面

透過紅外波長的觀測,其研究團隊能夠穿透宇宙塵埃一窺銀河系中心的圖像。這些圖像具有非常高的空間解析度,並可追踪黑洞周圍的恆星軌道。自1995年開始進行詳細觀測以來,其中一顆恆星S2已經完成了完整的橢圓軌道,這些測量結果可以提供對廣義相對論理論的檢驗。 2012年10月,研究團隊在加州大學洛杉磯分校還確認了環繞銀河中心的第二顆恆星 S0-102。利用克卜勒第三定律,計算出Sagittarius A*的質量為4.1 ± 0.6百萬太陽質量。因發現超質量黑洞最有可能控制銀河系中心恆星的軌道, Andrea Ghez 與 Reinhard Genzel 獲得了2020年諾貝爾物理學獎

瑞典皇家科學院另將諾貝爾物理學獎一半授予英國牛津大學的 Roger Penrose 爵士,其在數學物理方面擁有高度評價,特別是對廣義相對論與宇宙學方面的貢獻,授與的原因是其發現黑洞的形成是廣義相對論的有力預測。其實愛因斯坦本人並不認為黑洞確實存在,在愛因斯坦去世十年後的1965年1月,Roger Penrose 使用數學證明了黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果,並對其進行了詳細的描述:黑洞隱藏著一個奇異之處,所有已知的自然規律都在其中停止了。自愛因斯坦以來,他開創性的文章被視為對廣義相對論的最重要貢獻。

參考資料:Black holes and the Milky Way’s darkest secret