3-2前進黑洞

(二)前進黑洞

 

  

 

 

1.黑洞的重力

黑洞是恆心核心坍塌所成，也就是原恆星體的重力不便，個體大小卻由上千萬公里壓縮成十來公里大小，如同將地球壓縮成本書頁碼大小般。如此，在黑洞周圍，便產生極為強大的重力，導致周遭時間場不穩，形成時空塌陷。基於引力等於重力，導致光線也會被黑洞「吸入」，因此，只要宇宙中有個「空心黑暗」處，便很有可能是「不可見」的黑洞。

2.黑洞釋放的射線

由於黑洞是星體核心坍塌壓縮而成，故黑洞會釋放出原星體的物質射線。隨著大質量星體的重力崩陷，星體中心產生黑洞，並會噴發出強烈氣流，即「伽瑪射線暴」，而伽瑪射線暴雖短短數十秒，但會伴隨激烈的時間變動，其中還有比千分之一秒還短的變動率，而基於物體無法超越光速，所以推判能做到千分之一秒時間變動的的黑洞，大小不超過三百公里。而人類一直以來推判黑洞的存在，主要是由「X射線」，在黑洞形成後，恆星殘餘的能量將轉換為X射線波(即倫琴射線、X光)，且會持續比伽瑪射線還久，不過在短暫的高峰期後，便會逐漸平息。

 

 

 

 

3.黑洞存在的證據─伴星

「伴星」，亦稱「聯星」，是黑洞存在的重要證據。黑洞有強大的引力，原星體能量層轉換為吸積盤(後面會說明)，而吸積盤會藉由黑洞本身引力快速旋轉，其引力又會藉由吸積盤傳遞給周遭的星球，使得最近星體受引力而遭吸積盤牽扯去，形成「伴星」，而伴星的能量會遭吸積盤取走，使得吸積盤能量提高，可達攝氏一億度以上，最後伴星會因吸積盤而失去質量，被黑洞吞噬，壓縮為「奇異點」。因此，通常星體有強大引力牽扯、而且星體變動大甚至失去能量時，則附近可能藏匿著黑洞。天鵝座X-1黑洞便是一個離地球最近的雙星系統(伴星)。

 

 

4.黑洞構造組圖

5.吸積盤

「吸積」是圍繞年輕恆星的星盤入面的碎片漸漸變大，最後形成行星的過程;即是天體通過引力吸引和積累周圍物質的過程。由於被吸積的物質往往具有角動量，因此會形成吸積盤。「吸積盤」是一種由彌散物質組成的、圍繞中心體轉動的結構（常見於繞恆星運動的盤狀結構），比較典型的中心體有年輕的恆星、原恆星、白矮星、中子星以及黑洞。重力使得盤中的物質沿螺線被吸附至中心體；角速度的不同則使得物質進行著較差轉動。而重力場使得物質被壓縮，同時激發出電磁輻射。被激發出的射線頻率取決於中心體的形式。若中心體為年輕的恆星或者原恆星，那麼吸積盤輻射多半處於紅外區，而中子星及黑洞產生的吸積盤的輻射多半處於光譜的X-射線區域。在黑洞周圍的吸積盤，溫度可達攝氏一億度，其能量皆來自於被黑洞引力拉扯的伴星。

6.黑洞的外衣─光子球層/能層

 (1)光子球層

在黑洞事件視界外層，主要是由被黑洞吸入的光子所構成。光子正好維持光速，進而又有適當軌跡，配合引力，構成「光子層」以及「事件視界」。光子球內光子依然有可能脫離，但是對於外部的觀察者來說，任何觀察到由黑洞發出的光子，都必須處於事件視界與光子球之間。這也是反對黑洞存在者所依賴的證據之一，透過光子球的光子能量，無法找到事件視界存在的證據。

 (2)能層

大約在光子軌道附近，會有極大的能量，這些能量包含了被黑洞吸入的波、熱及本身磁場等等，我們稱之為「能層」。能層和黑洞視界都有內外之分，通常物質只要超越能層範圍，則無法逃逸。假若物質一旦進入能層以內，便抵達事件視界，理論上是不可能逃脫。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.事件視界

「事件視界」又稱作「事象地平線」、「因果地平」，是一種時空的曲隔界線，主要由逃離黑洞的光線構成，向內即奇異點。視界中任何的事件皆無法對視界外的觀察者產生影響，在黑洞周圍的便是事件視界，在非常巨大的重力影響下，黑洞附近的逃逸速度大於光速，使得任何光線皆不可能從事件視界內部逃脫。根據廣義相對論，在遠離視界的外部觀察者眼中，任何從視界外部接近視界的物件，將須要用無限長的時間到達視界面，其影像會經歷無止境逐漸增強的紅移；但該物件本身卻不會感到任何異常，並會有限時間之內穿過視界。假設你誤入了事件視界，那麼你可能要花幾十億年的時間，才能移動一毫米，除非你能以超光速逃逸。在事件視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的資訊、或者受到事件視界以內事件的影響，因為即使速度快如光也無法出脫事件視界的範圍。

※絕對視界線: 在廣義相對論中，絕對視界線是一種時空的界線，完全隔絕因果關係，也就是說在絕對視界線的一端發生的事絕對不會影響絕對視界線的另一端的事，而且任何事物穿越絕對視界線就無法回來。在宇宙中，絕對視界線存在的例子大概就只有黑洞了，對其來說，絕對視界線就是黑洞的邊緣也可以說是事件視界，但其實絕對視界線只是事件視界的一種。英國天體物理學家霍金認為，事件視界這裡也就是輻射生成之處。他推論，落入黑洞的除了光以及一般物質，應該還會有不斷生滅的粒子。根據量子力學，這些生命週期短暫的粒子對甚至可能來自於空無；而在宇宙中大部份的地方，這些粒子對會一起迅速消失、沒入真空。然而在事件視界中，黑洞很有可能只捕獲粒子對的其中一個粒子，另一個粒子則隨著輻射逃逸。

 

8.重力阱

在物質掉入黑洞的同時，若順利通過事件視界，則會先通過一個重力極為強大的陡坡「重力阱」。重力阱就像公園的溜滑梯，溜下來到草坪時，就如同重力阱至奇異點，只是其中差別就是掉落奇異點會被絞碎、還有落下時會感受到多方向的重力而已。重力阱是由黑洞吸入及本身重力構成的無底洞，除了垂直陡峭以外，還有個極強大的重力將物質拉入奇異點。

9.史瓦西半徑

「史瓦西半徑」是任何具有質量的物質都存在的一個臨界半徑特徵值。這個半徑是一個球狀對稱、不自轉又不帶電荷的物體的重力場的精確解。該值的含義是，特定質量的物質被壓縮到該半徑值之內，將沒有任何已知類型的力可以阻止將該物質自身重力將自己壓縮成一個奇異點。理論上，太陽的史瓦西半徑約為3千米，地球的史瓦西半徑只有約9毫米。

 

 

一個不少於3.2個太陽質量的星體一旦塌縮至小於它的史瓦西半徑便會因為自身重力塌縮成為一點，從而變成黑洞。對於一個已經形成的黑洞來說，若將史瓦西半徑內的物質看作一個系統，則該系統內的任何物質都無法逃逸出該半徑之外。換句話說，該半徑也是不帶電荷無自轉黑洞的視界，光和粒子均無法逃離這個球面，因此我們無法觀測或者預測史瓦西半徑內的事件。也就是說，我們無法確切知道黑洞內是否存在一個由某種物質組成的球體，如果存在的話，其球體的半徑是多少。正因如此，視界通常被認為是黑洞的表面。又因為黑洞視界本身並不好直接測量，史瓦西半徑等類似方法就作為估算視界半徑的方法。

星系中心的超重黑洞的史瓦西半徑估計約為780萬千米。假如一個天體質量約為1.5億個太陽質量的話，它的史瓦西半徑會超過它的自然半徑，這樣的黑洞被稱為是超大質量黑洞。絕大多數今天觀察到的黑洞的跡象來自於這樣的黑洞。一般認為它們不是由星群收縮碰撞造成的，而是從一個恆星黑洞開始不斷增長、與其它黑洞合併而形成的。一個星系越大其中心的超大質量黑洞也越大。假如一個天體的密度為核密度（相當於中子星的密度）而其總質量在太陽質量的三倍左右則該天體會被壓縮到小於其史瓦西半徑，形成一個恆星黑洞。小質量的史瓦西半徑也非常小，一個質量相當於喜馬拉雅山的天體的史瓦西半徑只有一奈米，目前沒有任何可以想像得出來的原理可以產生這麼高的密度。一些理論假設宇宙產生時會產生這樣的小型黑洞。

10.奇異點

「奇異點」又稱「重力奇異點」、「奇點」等，即大爆炸的起始點，宇宙可能是由這一點而膨脹形成的，奇異點即是一個密度、時空曲率、熱量無限大，體積無限小的「點」，一切已知物理定律均在奇異點失效；另一種被廣義相對論所預言的奇異點類型是在一個黑洞的內部，任何恆星因重力塌縮至小於其史瓦西半徑後會形成黑洞，產生一個被事件視界包圍的奇異點，這種奇點被稱為曲率奇異點，致使所有物質都流向此地並絞碎，同時外部也會有個保護圈，稱「奇異環」。在廣義相對論中所描繪的黑洞是由奇異點與包圍住它的事件視界所構成，速度最快的光也無法逃脫到事件視界之外，因此理論上外界觀察者無法直接觀測到黑洞內部的現象。

※裸奇異點: 假如事件視界等於果皮，奇異點等於果核，理論上來說，一般黑洞的事件視界都會覆蓋著奇異點，但根據物理運動，黑洞的旋轉速度若極高，那麼便如同剝去了「視界皮」，可以直接見到「奇點核」，於是我們稱之為「裸奇異點」。裸奇異點與奇異點相反，光與其他粒子有機會逃離奇異點至遠方，而事件視界因此不存在。在許多關於恆星坍塌的學說中，事件視界並未形成，因此奇異點其實就暴露在我們眼前的裸奇點，物質與輻射可墜入也可彈出這個區域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞裡的奇異點是趟有去無回的旅程，但其實你卻可以在非常接近裸奇點後全身而退，並敘述你此行的見聞。