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Jan. 16 2015

「極輕暗物質模型」探索類星體、黑洞成因

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  • 「極輕暗物質模型」探索類星體、黑洞成因

極輕暗物質電腦模擬中的暗物質暈(dark matter halo),孤立子位於中心高密度的紅色區域。圖片來源:台灣大學天文所。

看了英國大導演諾蘭的科幻電影《星際效應》(Interstellar),經過緊張萬分、炫目迷人的太空之旅後,是不是讓你對黑洞充滿好奇呢?18世紀以來,黑洞向來就是從未被停止研究的理論,1974年,讓英國物理學家霍金(Stephen Hawking)一舉成名的「霍金輻射」,正是所謂的黑洞現象。那麼類星體、暗物質、黑洞又有什麼關係呢?臺灣大學天文所教授闕志鴻領導的研究團隊,在 2014 年 12 月出版的國際期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters) 中發表論文,提出「極輕暗物質模型」,為類星體、黑洞謎團提供進一步的重要線索。

孤立子、類星體與黑洞

「類星體」 (quasar) 是誕生在宇宙早期、亮度極高的天體。科學家一般相信,這麼高的亮度源自於大量氣體被吸入星系核心的黑洞時,所釋放出的巨大能量。科學家觀測到最早的「類星體」出現在宇宙初期約4000萬年,這僅是138億年的宇宙一小部分歲月。在這麼短的時間中,如何產生巨大質量的黑洞,一直是近代天文物理學中重大的謎。

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闕志鴻的研究團隊,運用超高速、超高解析度電腦模擬(台大物理所博士後研究員薛熙于所開發)發現:每個星系中心都有一個超高密度核心,稱之為「孤立子」(soliton)。此發現有助於解釋「類星體」的形成,因為「孤立子」的質量可重達太陽數十億倍,能讓氣體落入黑洞引力範圍,最終被黑洞吞噬。在被吞噬前,掙扎的氣體溫度會增高,如同炙熱的燈泡發出強光,造成「類星體」現象。

孤立子與星系的關係 符合極輕暗物質預測

研究成果顯示「孤立子」的質量與星系的質量、年齡緊密相關。星系愈重,「孤立子」就愈重;宇宙愈早期的星系,「孤立子」也愈重。因此,早期星系中心的重「孤立子」能迅速吸引大量氣體餵食黑洞,足以解釋「類星體」的形成。

不但如此,星系核心「孤立子」亦能幫助宇宙晚期的「活躍星系核」 (active galactic nucleus) 形成。早期的「類星體」和晚期的「活躍星系核」是類似現象,差別在發光的強度不同;「類星體」需大量的氣體被吞噬才能發出超強的光,「活躍星系核」只需較少的氣體。這與極輕暗物質的預測相符合;早期星系才有大質量的「孤立子」,而晚期星系的「孤立子」質量相對小,因此吸引數量不同的氣體,造成發光強度不一的星系核。

超重黑洞的成形

闕志鴻表示,位於星系中心的黑洞,需餵食氣體才能成長,所以極輕暗物質極可能是超重黑洞成長的要素。目前的成果,只是往這個研究方向邁進的一小步,未來若能進一步找到極輕暗物質和超重黑洞關聯的直接證據,就能把極輕暗物質的新概念推向新里程碑了!

孤立子和星系的質量關係。黑色虛線為理論預測,資料點為電腦模擬結果,z是宇宙紅位移。圖片來源:台灣大學天文所。

 

資料來源:台灣大學天文所

整理撰文:潘佳修

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