「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。

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！