http://www.physorg.com/news/2010-11-physicists-black-hole-plasma-lab.html
November 4, 2010
(PhysOrg.com) -- 黑洞是貪婪的：它們狼吞虎嚥來自鄰近氣體雲或恆星的大量物質。當進來的「食物」盤旋進入深淵的速度愈來愈快時，它會變得愈來愈稠密，而且溫度會上升到攝氏幾百萬度。在物質最終消失之前，它發出異常強烈的 X 光到太空中。
這種「最後的呼喊（last cry）」來自於鐵，是包含在此物質中的元素之一。位於（德國）海德堡 Max Planck Institute for Nuclear Physics 的研究者與 Helmholtz Zentrum Berlin 的同僚合作，並使用 BESSY II 同步加速 X 光源研究在此過程中發生了什麼事。
為了理解黑洞的本質，最好能看它們吃東西。最有趣的部份就是物質在事相面（event horizon，即此，在此距離下，黑洞的物質吸引力變得如此之強，甚至連光都無法逃脫。）背後消失之前。這個狂暴的過程會產生 X 光，那接著刺激氣體雲當中物質的各種化學元素，自行發出具有特徵線（characteristic lines，「顏色」）的 X 光。這些特徵線的分析能提供事相面附近的電漿密度、速度與組成。
在此過程中，鐵扮演著重要的角色。雖然它不像較輕的元素（主要是氫與氦），在宇宙中那麼豐富，不過它在吸收與重新發射 X 光上卻更好。所發出的光子因而有較高能量，其波長也比較輕原子還要短（不同的「顏色」）。
它們也因而以五彩繽紛的分散輻射形態留下清晰的指紋：在光譜中它們以強烈的線條揭露自身。鐵所謂的 K-alpha 線（K-alpha line）是物質消失在黑洞的事相面背後，永不再被看見之前，最後可見的光譜特徵，它的「最後哭喊」。
當所發出的 X 光在較大的距離下穿過環繞黑洞四周的物質時，也會被吸收。這裡，鐵再度於光譜中留下明確的指印。輻射會游離原子數次，而所謂的光離子化（photoionisation）一般會將鐵原子通常所包含的 26 個電子當中的一半以上剝離。所產生帶正電的離子與被剝離的電子數量一致。最後結果是高度帶電的離子，那並非由碰撞而是由輻射所產生。
而此過程 -- 利用入射 X 光自高度帶電的離子上更進一步剝離電子，正好是 Max Planck Institute for Nuclear Physics 與 BESSY II -- Berlin 同步輻射 X 光源的同僚合作下，於實驗室中重現的過程。這個實驗的核心是在 Max-Planck 研究所設計的 EBIT 電子束離子阱。在阱內，鐵原子在一道強烈的電子束幫助下加熱，猶如它們身處在太陽深處，或如此例：在黑洞附近。
某些狀態下，鐵會存在，例如 Fe14+ 離子，它就被游離化 14 次。該實驗以如下方式進行：一朵只有幾公分寬且細如髮的離子雲，在磁場與電場的幫助下懸浮在超高真空中。來自同步加速器的 X 光源接著衝擊這朵雲；X 光的光子能量由具極高精確性的單光器（monochromator）所選擇，並如同細小、集中的射束被導向離子。
在此實驗中所測得的光譜線可直接且輕易地與 X 光天文望遠鏡（如 Chandra 與 XMM-Newton）所完成的最近觀測進行比較。結果證明，絕大多數所用的理論性計算方法不能夠精確地預測線條位置。這對於天文物理學家而言是一個大問題，因為沒有精確的波長知識，這些線條的都卜勒（Doppler）效應測定也就不會精確。
都卜勒效應描述發射光的頻率（能量或波長）變化為來源（電漿中的離子）速度的函數。任何聽到救護車通過聲音者都會經歷這種現象：每當車輛逼近時，所感知的音高會更高；它離開時聲音會比較低。如果此系統在靜止狀態下的頻率已知（救護車不動），那麼測量音高將能了解來源 -- 在天文學中，那是電漿 -- 的速度。
在 NGC 3783（活躍的星系核 (galactic nuclei) 之一，被研究的時間最長）的解釋上，這仍使科學家感到困惑。錯誤出現在一靜止座標系（rest frame，靜止框架）的頻率中（那是在不同理論模型的幫助下所完成的計算），以致於發射電漿速度的推導上有如此大的不確定性，導致電漿流動的可靠陳述變成不可能的事。
現在位於海德堡的 Max-Planck 研究者的實驗室測量，在數種模型計算中確認出一種理論性方法，那提供最精確的預測。他們亦在此波長範圍內達成至今最高的空間解析度。在這種能量範圍內以如此高的精確性，檢查不同的理論，在這之前不可能發生。
在理解黑洞或活躍星系核四周電漿的物理學上，用來捕捉高度帶電離子的新奇阱組合以及明亮的同步輻射源，因而代表著重要的一步以及一種新方法。研究者們預期 EBIT 光譜術以及愈來愈明亮的、第三代（DESY 的 PETRA III）與第四代（德國漢堡的自由電子雷射 XFEL、美國史丹佛的 LCLS、日本筑波大學 SCSS）X 光源的結合，將為此領域帶來新幹勁。
※ 相關報導：
＊ Resonant and Near-Threshold Photoionization Cross Sections of Fe14+
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.105.183001
M. C. Simon, J. R. Crespo Lopez-Urrutia, C. Beilmann,＊ 百萬度的電漿可能在星系中「氾濫」
M. Schwarz, Z. Harman, S. W. Epp, B. L. Schmitt,
T. M. Baumann, E. Behar, S. Bernitt, R. Follath, R. Ginzel,
C. H. Keitel, R. Klawitter, K. Kubicek, V. Mackel,
P. H. Mokler, G. Reichardt, O. Schwarzkopf, and J. Ullrich
Phys. Rev. Lett. 105, 183001 (2010) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.105.183001
＊ NIF 核融合更進一步：百萬焦耳雷射
＊ 從古典雷射到「量子雷射」
＊ CERN 計畫ILC 直線電子擊碎器
＊ 科學觀察黑洞如何吃掉物質
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X光誕生115周年 谷歌首頁慶祝
【台灣醒報╱記者蔡沛琪╱台北報導】2010.11.09
谷歌昨天以首頁圖片慶祝X光誕生115周年。德國物理學家倫琴(Wilhelm Röntgen) 在1895年發現X光，他雖然不是第一個觀察到X光的人，但他是第一個研究的人。倫琴對X光的貢獻，也為他在1901年贏得第一屆諾貝爾物理獎。
倫琴的學術生涯艱苦，在發現X光之前，他已經歷26年漫長的學術生涯，他不僅是理科的專家、更是科學實驗的能手。
他在1895年11月8日研究克魯克放電管（Crookes tube）時，發現放電管放出的陰極射線衝擊到管壁後，因速度變小能量變低而放出來的輻射，將之稱為X光，意指「尚不清楚的光」，後來許多非德語國家都採用這個說法，德國則依科學慣例稱之為「倫琴射線」。
後人並不清楚倫琴如何發現X光，因為他指定在死後他所有文件，包含實驗室的書都需燒毀。最佳可能的推測是，他當天進行陰極射線實驗時，意外發現通電時，塗有鉑氰酸鋇的紙屏發出螢光，那些神秘的光線也能穿透他書桌上的書和紙。
有了初步發現後，倫琴全心投入研究X光，兩個月後發表相關論文，同時附上他妻子的手骨X光照片。從那時起，X光就進入人類的日常生活，儘管有輻射危害的疑慮，但在醫學檢查乃至機場安檢等各項應用，都扮演了不可或缺的角色。
◆ 學子發明集油烤肉架 遠離煙害
自由時報 2010.11.09
〔記者蔡彰盛、俞泊霖／綜合報導〕不需要人工，就可以抄水電表的「無線識別標籤偵測裝置」、會自動收集油脂的「炭烤架產品」，這些都是國人的巧思，並在德國紐倫堡國際發明展拿下銀牌、大會特別獎。
國人巧思拿下國際發明獎
由中華大學電機系助理教授王志湖、副教授鍾英漢與邱健榮研發的「無線識別標籤偵測裝置」，運用在水電與瓦斯表上，可精確地讀出指數，杜絕人工抄表的錯誤。研究團隊說，這套偵測系統也可裝置無線傳輸，定時將數據傳輸出去，節省人工抄表的人力。
無線傳輸水表杜絕抄表錯誤
這套系統的開發原理，是根據旋轉動作機制而來，因此只要是機械式量度表都可使用，且準確度極高。該發明已經連續獲得台灣、美國的專利，未來將陸續申請其他各國專利。
校方說，如果水公司、台電等單位有需要，樂觀其成。自來水公司第三區管理處表示，目前正測試自動計量傳輸系統，水管管徑大於五公分的大水表用戶，將率先使用。
「炭烤架產品」則是明道中學高二學生李尚容的發明。她說，瀏覽新聞看到「烤一次肉相當於吸六百支菸」訊息，令她很震驚，因此從改良烤肉架下手，將板材摺出波浪狀的集油溝槽，並在斜面切割出圓弧瓣，使圓弧瓣與斜面成一夾角孔縫。
李尚容說，改良後的烤肉架，可保持傳統烤肉網炭烤風味，也能防止烤肉產生的油脂滴進炭火，造成起火或煙害，收集的油脂也能再利用，是兼具健康、安全的烤肉用具，不僅獲得紐倫堡國際發明展的銅牌獎和大會特別獎，且已有多家廠商在洽談開發。
台旅美學者 發現超大黑洞
中央社 2011/12/05
（中央社台北5日電）台灣旅美學者馬中珮和另一位研究人員，發現科學家迄今所知最大的兩個黑洞，每個質量約為太陽的100億倍。這項發現本週稍後將在「自然」（Nature）期刊正式發布。
馬中珮44歲，是宇宙論與粒子天文物理學家，在加州柏克萊大學擔任教授，從小對追尋宇宙起源和人類未來命運有一股狂熱，曾在2001年獲得海外華人物理學會傑出青年研究人員獎。
她的父母親是資深新聞學者馬驥伸和前任監察委員黃肇珩。
馬中珮的最新發現，是與研究生麥康奈（Nicholas McConnell）共同利用夏威夷毛納基（Mauna Kea）的雙子星（Gemini）望遠鏡等設備觀測得到的收穫。
這些配有適應性光學儀器的設備能觀察星球的異常變動，發現星球逐漸向黑洞靠攏，然後被重力所吸引。
他們發現的黑洞巨大無比，視界（event horizon）達到整個太陽系的7倍。視界是指黑洞的吸力範圍，在這個範圍內，包括光線，任何東西都無法逃脫黑洞的吸力。
在此之前，已知最大的黑洞質量約達太陽的68億倍，比起新發現的黑洞，算是小巫見大巫。
他們是在距離地球約2.7億光年的兩個橢圓形星系內發現這兩巨大黑洞。
這兩個黑洞規模龐大可能是因為不只有能力吞噬行星和恆星，同時也能吸進小星系，此過程可以長達數十億甚至數百億年。
科學界一直認為有黑洞的存在，但黑洞很難發現，因為強大引力會把一切都往內拉，甚至包括原本可以讓外界發現黑洞存在的光線和其他輻射線。
華裔之光／馬中珮左手研究物理 右手拉琴
【聯合報╱記者李順德、報系記者陳巧倫／連線報導】2011.12.07
「媽媽，明天凌晨三點，陪我到屋頂觀星、看月全食好嗎？」前監委黃肇珩昨天回想女兒馬中珮從小就愛天文，認真夜觀天象，從來不是為了好玩或睡不著覺才臨時起意。
發表最新黑洞研究論文的華裔天文物理學家馬中珮出身新聞世家，父親馬驥伸是知名新聞學者，母親是資深媒體人、前監委黃肇珩。馬中珮曾就讀復興中學和北一女中，高二時赴美求學，在麻省理工學院攻讀天文物理及宇宙學。
馬中珮從小就對天文學極感興趣，常去天文台看星星，讓她能夠一路鑽研天文領域。黃肇珩說，母女經常半夜起床，登上台北自家屋頂觀測。
黃肇珩說，「拉小提琴、觀研天文」，是馬中珮自小就專注的兩件事。拉小提琴原是馬中珮的優先選擇，還一度想走音樂的路。被學界譽為「左手做物理研究，右手拉小提琴」的馬中珮，進入麻省理工學院修習物理時，發現很多物理學家業餘也玩音樂，很多音樂家卻不能玩物理，馬中珮選擇拿麻省獎學金，一邊在新英格蘭音樂學院修小提琴，後來與麻省教授組樂團，夫婿是美籍音樂家。
黃肇珩與馬驥伸所學偏重社會科學，沒料到一對兒女的傑出表現都在天文物理，黃肇珩對馬中珮團隊這次在英國重要科學雜誌發表論文，掩不住喜悅。
◆ 台灣旅美科學家馬中珮 發現超大黑洞
【聯合報╱本報系記者陳巧倫／加州柏克萊報導】2011.12.07
美國柏克萊加州大學華裔天文物理學家馬中珮和研究生麥克康乃爾（Nicholas McConnell）在距離地球約三億光年的銀河系，觀測到兩個質量各相當於太陽一百億倍的超級大黑洞，轟動天文學界。
這兩個黑洞分別在NGC 3842和NGC 4889星系，屬銀河系的中心地帶。目前天文學家共發現六十三個黑洞，上一次發現最大的黑洞，是卅三年前在M87星系，但是質量僅有新發現黑洞的一半。
馬中珮在受訪時指出，因為黑洞是看不到的，必須依據離黑洞最近的星球軌道的反射來測量，觀測的星球必須距離黑洞一千光年之內。但是畢竟是在地球的三億光年以外，研究團隊必須觀察得非常仔細，才能準確測量黑洞的質量。
依據理論，愈大的星系會發現質量愈大的黑洞，當星系軌道碰撞爆炸時，黑洞會相互吸引合併，產生更大的黑洞。馬中珮說，發現到這兩個超級大黑洞，更讓人對宇宙感到不可思議。「就好像是看到一個人長到九呎高，你會好奇他怎麼能夠長這麼大」。
這項研究計畫在四年前展開，由馬中珮領軍，組成八人研究小組，小組成員包括來自柏克萊加大、德州大學奧斯汀分校、多倫多大學、密西根大學及亞利桑納州國家光學天文台的研究生和教授。他們利用位在夏威夷的雙子星和KECK天文望遠鏡觀測，再運用電腦模擬和數據分析輔助，才得到這項驚人的研究結果。
馬中珮表示，由於全世界的天文研究都必須借重這些高倍數天文望遠鏡，這項研究計畫在每半年之中只能排到三、四個夜晚使用望遠鏡。望遠鏡每晚使用費平均十萬美元，若天氣不好或需要維修設備，就等於半年沒有新資料，她笑說「這些數據得來不易」。
麥克康乃爾認為，這個新發現再度拓展了天文學的領域。馬中珮覺得，如今科技發展成熟，使用高倍數望遠鏡來觀察黑洞的形成和演化，令人更感驚奇。她目前手中仍有多項研究計畫，預計下個月將再發表一篇黑洞相關研究論文。
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