棕矮星是宇宙中的黑暗物質？


1985年09月189期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1985、09 ＃期號：0189 ＃專欄：＃標題：棕矮星是宇宙中的黑暗物質？＃作者：王乃龍．搶得先機的驚人發現．是行星還是恒星？．繼續探索．看不見的質量．黑暗物質的存在證據．黑暗物質的存在型式．黑暗物質主宰宇宙．表：各物質系統之質-光比		棕矮星是宇宙中的黑暗物質？ 1984年十二月美國亞利桑那大學與國家光學天文台的天文學家麥卡西（D. W. McCarthy）、羅（E.J.Low）和普若布斯特（R. G. Probst），宣布發現第一顆太陽系外行星，造成天文學界多年來未有的震撼，甚至為行星和恒星的界定在文詞上針鋒相對，辯論不休。而在其前一個月，有人提出對宇宙質量分布的說明與推論，將木星型行星（Jupiter-like planet）或棕矮星（brown dwarf）假設為宇宙中大量看不見之物質的存在型式，更使這個驚世駭俗的發現愈顯重要而令萬眾矚目。搶得先機的驚人發現麥卡西等人的原先計畫是利用紅外線觀測，尋找棕矮星。由於目標是又暗又冷的星體，觀測方向便決定在蛇夫座（Ophiuchus）上，距離太陽系二十一光年的暗星，候選者有van Biesbroeck 8和10（VB8，VB10）。在地表的天文觀測因有大氣亂流擾動造成星光隨時間偏折而閃爍不定，成像模糊不清。於是麥卡西等人改以斑紋干涉儀（speckle interferometry）多次在極短時間內凍結曝光，再解像袪除偏光而得到較清晰影像。這種對偏光的補償修正，可增加解像率，以確認極相近的兩物體，對於雙星系統的辨認極有助益，終於發現距離VB 8主星（VB8A）十億公里外的伴星VB8B。事實上，1983年美國海軍天文台的天文學家海林頓（R.Harrington）等人就曾提出報告。VB8A的運動軌道有爍動現象，可能是由質量略重於木星的伴星所造成的重力干擾，這才使麥卡西等人把在基特峰（Kitt Peak）上的158吋天文望遠鏡朝VB8觀望，而望得失機。海林頓則因沒有沾到觀測先鋒的英名而懊惱不已。是行星還是恒星？麥卡西的這一宣布「發現行星」，便引起了天文學界的咬文嚼字之辯。海林頓甚至指責地說：「只有麥卡西才會把這麼大這麼熱的星體叫做行星。」根據以紅外光譜（1.6×10^-6～2.2×10^-6公尺波長）的偵測顯示，VB 8B表面溫度為1360°K（約1090℃），質量為木星的數十倍（確切數字尚未得知，僅知約在10到50倍之間），星球半徑則只有木星的十分之九，而光度只有其母星VB 8A的十萬分之一。麥卡西認為：「這樣的次星球（substar）圍繞在另一星球旁運轉，就可稱之為行星了。」天文理論學家認為，一顆恒星的誕生（參閱科學月刊74－8月號「雲朦朧‧星朦朧──恒星的誕生」一文），是由於星際太空中雲氣的相互凝聚，因重力壓縮而產生高溫，引發核融合，終能放出光芒，而剩餘的外國雲氣則依此恒星繞行運轉，形成圓盤狀，其間密度較高的雲氣團則凝聚成行星。據維琴尼亞大學天文學家庫麥（S.Kumar）的計算，木星的質量大概是行星所能擁有的最大極限，超過此質量的雲氣團便會因重力而內陷，使體積更小，密度更大，足致爆發成恒星。匹次堡大學愛利根尼天文台的蓋特伍德（G.Gatewood）也認為：「質量數倍於木星的星體，基本上和行星是不同的。」蓋特伍德也是探尋太陽系以外行星的專家之一。對於VB 8B，海林頓表示：「使用『行星』這名詞太牽強。」那些尚未找到太陽系外行星的學者專家，對這次的發現頗不贊同使用「行星」來稱呼VB8B。甚至有人認為VB8A主星也是極暗極小的星球（在主星序上屬於最冷的M級紅矮星），或許VB8A和VB8B只不過是兩顆互繞的小星球。但是，也有天文學家對於數十倍於木星質量的星體能否引發內部核融合反應表示懷疑。根據天文學家的計算，恒星的誕生必須具有80倍於木星的質量（或0.08倍於太陽質量──這是引發核融合的極限值）才能點燃內部核融合火爐，而VB8B似乎尚不夠標準。事實上，行星與恒星的分野並沒有明顯的界線。如果因為VB8B充滿氫與氦且質量又頗大就稱之為恒星，那麼木星和土星內部均有能源，組成成分也是以氫、氦為主，也應該說是恒星了。所以，VB8B可視為過重的木星型行星。麥卡西便認為，一顆恒星起碼要有0.08倍於太陽的質量，2750°K（約2480℃）的表面溫度，和0.0005倍於太陽的光度。而VB8B的光度只有太陽的十萬分之三，質量、表溫都還差得遠，比H-R主星序上最低最小的星體都不如，不成氣候，可稱之為行星。在恒星的「星」路歷程上，到了核能殆盡，光芒消失星體萎縮之時，就會在H-R星序圖上走下坡。原來極重的星球可能經由超新星爆炸的方式，存餘中子星或黑洞；而輕的星球則可能經由紅巨星的幾次縮脹後，拋出物質，存餘白矮星，最後冷卻到灰燼皆熄的黑矮星。如果星體一旦形成時，其質量即在木星的80倍以下，一生無法引燃核融合反應，稱之為棕矮星。棕矮星可說是行星與恒星分際上的緩衝點，稱VB8B為棕矮星似乎較被一般學者接受。不過，不管VB8B是恒星還是行星，麥卡西的發現的確是非同小可。繼續探索除了VB8，麥卡西也觀測了VB10，但是並沒有發現伴星。因此，如果有伴星，也必然是極小極暗。海林頓認為，沒有發現VB10的伴星，正意味著VB10的伴星必是如他在1983年提出的假說一般，只有木星的大小。若將木星置於VB10附近，以麥卡西目前的儀器設備也的確是偵測不出的。此次的發現說明了大量棕矮星（或行星系統）的存在可能。在最近的天文觀測報告中指出，許多年輕星球附近的星際物質（碟狀雲氣）有紅外線輻射，可能是行星在形成中。斑紋干涉儀彌補了紅外線偵測儀偵測能力之不足，麥卡西計劃將紅外線偵測儀放到大氣層外軌道衛星內的哈柏太空望遠鏡（Hubble space telescope）上，在不受地球大氣的干擾下繼續探尋太陽系以外的行星系統，找尋這些已往看不見的質量──迷失的質量（missing mass），俾能對宇宙中質量分布與宇宙起源有更進一步的了解。以我們太陽系而言，就有九大行星，而在本銀河中有數千億顆恒星，必然有其他的恒星擁有行星圍繞，而星際間許多不可見的質量主宰著宇宙的進化，也有賴行星系統（或棕矮星）的發現而獲得解釋。看不見的質量 1933年齊維克（F.Zwicky）從室女座星系內的銀河運動，確認其中必有大量看不見的物質。這些迷失的質量──應該說是迷失的光芒（missing luminosity），雖然不發光，卻在銀河團的動力學上，甚至宇宙的未來命運上扮演著重要的角色。看不見的質量──黑暗物質（dark matter）的存在，是由質-光比（mass-light,M/L, ratio）的研究而推導出，以解釋銀河團內雲氣的不正常運動現象。質-光比指單位空間內的質量除以光度，通常以太陽系為一單位（即太陽的質-光比定為1）。以太陽為中心，半徑30光年內的星際太空中，質-光比大約是5，亦即太陽附近區域內的星體，是以矮星為主。質-光比亦可視為發光效率，也就是黑暗物質的存在比例，如巨行星（giant planet）的質-光比高達十萬，而新生亮麗的O型藍星只有萬分之一。由表可知，宇宙中物質系統愈大，質光比愈大，隱藏的黑暗物質愈多。黑暗物質的存在證據銀河內的質量分布決定於轉動曲線──雲氣軌道速度對至系統中心距離之作圖曲線。由於雲氣運動肇因於重力吸引，其運動速度便取決於軌道內質量的多寡，所以從銀河截面各處的雲氣速度，便可知銀河內的質量分布，而使用氫原子所發出的二十一公分波長的無線電波，便可測知銀河各部的雲氣運動速度。根據都卜勒效應，在銀河邊緣朝向我們的雲氣，會因正向相對速度而使發出之無線電波偏向短波長──藍位移（blue shift）；反之，離向的雲氣則有紅位移（red shift），由此光譜位移情形即可計算雲氣的運動速度。如果以目前所見的銀河質量分布情形而言，愈到邊緣，因雲氣稀薄（可見光所見）而運動速度應愈小，但是實際上的觀測結果卻非如此，像M31、M101、M81都沒有如此現象，顯示有黑暗物質存在於銀河邊緣以維繫雲氣。這些黑暗物質據估計可能是目前所見銀河物質總量的10倍以上，本銀河的黑暗物質可能有10¹²個太陽重，約是傳統銀河質量估計值的3到4倍。法布里肯特（D.Fabricant）曾觀測室女座中的M87巨大橢圓銀河，發現有強烈X-光光環，X光是由五千萬度高溫下快速運動的電子與離子撞擊產生。能使這般高熱氣體不逸散，M87必含有2×10¹³個太陽質量，此值約是只就發光星體所計算之質量的10倍。像cD銀河內部具有多個中心體，相互間相對速度高達每秒一千公里，顯示有極大量的黑暗物質才能免去銀河四分五裂的命運。又如Coma銀河團，依均功定理（virial theorem）計算其質量為內部所有銀河質量總和（各銀河質量已用質-光比修正過）的10倍到20倍。因此，宇宙中各物質系統的質-光比與觀測數據在在顯示有大量黑暗物質隱藏著。黑暗物質的存在型式黑暗物質可能以重子（bargon，如中子、質子）或非重子（non-bargon,如光子、微子）型式存在。重子型式包括岩石、彗星、木星型行星（或棕矮星）、矮星、中子星及黑洞。岩石星塵在星際間比例極低，可以忽略，中子星黑、白矮星與黑洞則可當成已知質量之物質系統，不屬於迷失的質量。非重子中的光子，微子實際上也不具有靜止質量，而假想中的磁單極（magnetie monopole）之說（由狄拉克所提出），帕克爾（E.Parker）認為不可能。因為，若是宇宙中有大量磁單極，銀河的電場早就被撕裂了。至於木星型行星（或棕矮星）雖然單一質量不大（木星在太陽系內所占質量比例極小），但浩瀚的星際太空若有眾多棕矮星，便可構成極大質量，是黑暗物質的最佳候選者。黑暗物質主宰宇宙宇宙的命運，一說可能會繼續膨脹，體積趨向無限大，密度趨向於零，各星球核能源因用罄而死亡，浩瀚的太空一片死寂（此之謂開放性宇宙）；一說宇宙的膨脹將漸緩，而終至停止，然後因重力吸引再度回縮，而崩陷，聚成霹靂說（Big Bang theory）中所謂的原始火球（此之謂封閉性宇宙）。問題是宇宙反彈是否會「歷史重演」？一說宇宙仍然膨脹，但速率漸減，直至宇宙形成平面結構（重力與膨脹恰好平衡的宇宙）。若宇宙因重力吸引而回縮，則所需質量必須是目前由發光星體所測質量的10倍到100倍，因此，宇宙能否避免一片死寂的厄運，就全看是否有足夠的黑暗物質存在。參考資料 1. R. A. Schorn, Sky ＆ Telescope, p.126, Feb., 1985. 2. J. O. Burns, Sky ＆ Telescope, p.396,Nov., 1984. 3. J. Eberhart, Science News, 126 : 373, 1984. 4. M.M.Waldrop,Science,227 : 44, 1985. 王乃龍就讀於美國約翰霍浦金斯大學化學系博士班註：cD銀河是指超巨大橢圓銀河，又稱為central dominant galaxy。
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