高考申論題
108年
[天文] 天文學
第 一 題
📖 題組：
四、2019 年天文學的一件大事就是公布了人類第一次拍到了在 M87 的黑洞剪影，事實上，天文學家基本上已早知我們的宇宙存在著黑洞，依質量分類，可分為恆星級黑洞，其質量約為數倍之太陽質量，與超大質量黑洞，其質量約為太陽質量的數百萬倍至百億倍。 (一)孤立的黑洞僅能發出極微弱的霍金幅射，以人類目前觀測能力尚無法觀測這種幅射，請問天文學家大多是利用觀測那一種天文物理的現象去研究黑洞？而又是主要觀測那些天體分別去研究上述二種黑洞？（10 分） (二)關於銀河系外的超大質量黑洞，除 M87 目前可用直接顯影的方式觀測，請問天文學家是觀測到那些的現象，進而推論出這些現象是由於存在著超大質量黑洞所造成？（10 分） (三)天文學家已發現我們銀河系中心有一超大質量黑洞（約 460 萬倍太陽質量），請問天文學家主要是觀測什麼現象得知其存在？（5 分）
四、2019 年天文學的一件大事就是公布了人類第一次拍到了在 M87 的黑洞剪影，事實上，天文學家基本上已早知我們的宇宙存在著黑洞，依質量分類，可分為恆星級黑洞，其質量約為數倍之太陽質量，與超大質量黑洞，其質量約為太陽質量的數百萬倍至百億倍。 (一)孤立的黑洞僅能發出極微弱的霍金幅射，以人類目前觀測能力尚無法觀測這種幅射，請問天文學家大多是利用觀測那一種天文物理的現象去研究黑洞？而又是主要觀測那些天體分別去研究上述二種黑洞？（10 分） (二)關於銀河系外的超大質量黑洞，除 M87 目前可用直接顯影的方式觀測，請問天文學家是觀測到那些的現象，進而推論出這些現象是由於存在著超大質量黑洞所造成？（10 分） (三)天文學家已發現我們銀河系中心有一超大質量黑洞（約 460 萬倍太陽質量），請問天文學家主要是觀測什麼現象得知其存在？（5 分）
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
孤立的黑洞僅能發出極微弱的霍金幅射，以人類目前觀測能力尚無法觀測這種幅射，請問天文學家大多是利用觀測那一種天文物理的現象去研究黑洞？而又是主要觀測那些天體分別去研究上述二種黑洞？（10 分）
思路引導 VIP
考生看到此題應先聯想黑洞的物理本質：既然黑洞本身不發光（孤立狀態下難以觀測），就必須透過其極強的「重力場」對周圍物質（恆星或氣體）產生的影響來間接探測。接著，依照題目要求分為「觀測現象」與「觀測天體」兩部分作答，並將觀測天體嚴格對應到「恆星級黑洞」與「超大質量黑洞」進行分類論述。
小題 (二)
關於銀河系外的超大質量黑洞，除 M87 目前可用直接顯影的方式觀測，請問天文學家是觀測到那些的現象，進而推論出這些現象是由於存在著超大質量黑洞所造成？（10 分）
思路引導 VIP
看到此題，應立即聯想「活躍星系核(AGN)」的各種觀測特徵，以及如何透過「動力學」與「能量輻射」兩大途徑反推中心天體質量。思考時可引入愛丁頓極限公式與克卜勒第三定律（或維里定理）來佐證「極小空間、極大質量、極高能量」只能由超大質量黑洞造成的物理必然性。
小題 (三)
天文學家已發現我們銀河系中心有一超大質量黑洞（約 460 萬倍太陽質量），請問天文學家主要是觀測什麼現象得知其存在？（5 分）
思路引導 VIP
面對此題，考生應直指銀河系中心（人馬座A*）的「恆星動力學觀測」。思考如何透過長期追蹤中心附近恆星（如 S2 恆星）的完整軌道，結合推廣的克卜勒第三定律，精確計算出中心隱蔽天體的極大質量與極小體積，進而證明超大質量黑洞的存在。