黑洞到底是什麼?怎麼形成的? 天文所教授親自解惑!

2021-11-07 18:00
黑洞到底是什麼?(AP)
黑洞到底是什麼?(AP)

愛情大家都知道,只有少數人自以為懂,卻沒人說得清楚,像極了黑洞。黑洞為日常用語,例如形容財政。什麼是黑洞呢?同樣的質量塞進了越小體積,密度就越高(越濃)。要是塞進了「太多」,這就成了黑洞了。那什麼是「太多」呢? (嗯,一個問題換一個。)

關鍵就在「黑」。這裡的黑是沒有光跑出來。這跟星際暗雲擋住背後光線,自己的塵埃與分子其實仍有微弱輻射不同。在某個體積內塞了太多東西,密度無限緊密,是個空間中內凹的區域,在「勢力範圍」內重力強到所有東西都跑不出來,連最會跑的光線都跑不出來,這就是黑洞了。該範圍有學問的定義是「某個區域表面的逃脫速度等於光速」。連光都跑不出來當然黑。

它不是單一天體,是種質能狀態。所以我們無法回答「黑洞有多大?」就如同問「水有多少」一樣說不清楚。水是種物質,可以汪洋,也可以涓滴。黑洞也可大可小。當大質量恆星的核心塌縮,如果無法以白矮星或中子星的方式撐住, 就會收縮成黑洞。這種恆星級黑洞的大小只有幾公里,相當於一個小鄉鎮。有些星系的中央存在超大質量黑洞,包含了相當於數億個太陽的物質,這種星系級黑洞的尺度約為太陽系的大小。

在平坦的床單上放上鉛球,床單會下沉而被扭曲,在床單扭曲點附近的東西都會掉下去。這可以解讀為「受到萬有引力」,也可以說質量讓空間彎曲,而彎曲的空間則讓質量運動。黑洞本身雖然不洩漏訊息出來,但是繞行的發光物質會快速運動,或是周圍物質受到龐大重力而加速,因此發出高能輻射,仍然透露了行蹤。

神祕的東西總引人入勝。黑洞奇妙之一在於,扭曲的時空有可能讓這頭連結到另外一頭,這下就可以穿梭時空了。到目前為止,已經觀測到星系級及恆星級黑洞的存在,但是仍然沒有時空穿梭的證據。站在「暗物質」與「暗能量」面前, 黑洞的神祕畢竟只是「黑」而已。

黑洞是個時空奇異點,其內部的訊息無法跑出來。(圖/聯經出版提供)
黑洞是個時空奇異點,其內部的訊息無法跑出來。(圖/聯經出版提供)
M87是個巨型橢圓星系,距離我們5500萬光年,這張史匹哲太空望遠鏡所拍攝的紅外影像,中央部分放大可見噴流現象,乃周圍物質掉入65億倍太陽質量的黑洞所造成。(圖/聯經出版提供)
M87是個巨型橢圓星系,距離我們5500萬光年,這張史匹哲太空望遠鏡所拍攝的紅外影像,中央部分放大可見噴流現象,乃周圍物質掉入65億倍太陽質量的黑洞所造成。右下圖為「事件地平望遠鏡」(位於地表不同位置的望遠鏡共同觀測)取得的黑洞剪影, 因為黑洞自旋造成朝向我們的一邊比較明亮。(影像來源╱ NASA/JPL-Caltech/IPAC/ Event Horizon Telescope Collaboration)(圖/聯經出版提供)
銀河系中心的超大質量黑洞。朝向銀河系中心消光嚴重,必須在紅外波段或更長波段觀察天體(圖/聯經出版提供)
銀河系中心的超大質量黑洞。朝向銀河系中心消光嚴重,必須在紅外波段或更長波段觀察天體,利用高解析力監測銀河系中心周圍的星球運動,從軌道快慢推測中央有個超大黑洞,質量約為太陽4百萬倍,距離我們約2萬7000光年。圖中顯示某時間天體的軌跡,完整動畫可見http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/animations.html(此項有關銀河系中心的研究成果獲2020年諾貝爾物理獎。)(聯經出版提供)

 

作者介紹|陳文屏

地球人,天文學家,現任教於國立中央大學天文研究所並曾任所長。主要觀測天文學方向研究;並積極推動天文教育。 (相關報導: 茶聚都在聊蟲洞、純量場和黑洞,結婚25年後和妻子分居…你所不知道的天才霍金 更多文章

本文經授權轉載自聯經出版 《星空50講:帶你探索宇宙》責任編輯/陳怡蓁

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