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觀察黑洞-《平行宇宙》

因為黑洞的性質太奇怪,一直到二十世紀九○年代,人們還認為它們的存在是科幻小說。密西根大學的天文學家道格拉斯.瑞奇史東(Douglas Richstone)在一九九八年評論道:「十年前,如果你在一個星系的中心發現一個你認為是黑洞的物體,業界中有一半的人會認為你是一個小狂人。」

自那以後,通過哈伯太空望遠鏡、錢德拉X射線望遠鏡(測量強大恆星和銀河源發出的X射線)和巨型陣列電波望遠鏡(由一系列在新墨西哥強大的電波望遠鏡組成),天文學家在外太空識別出幾百個黑洞。事實上,很多天文學家相信,天空中的大多數星系(在它們的盤形中心有核心膨脹)在它們的中心有黑洞

正如預計的,在天空中發現的所有黑洞旋轉得非常快。哈伯太空望遠鏡對某些黑洞進行了計時,發現它們以每小時一百萬英里[一六○萬九千三百公里]的速度在旋轉。在最中心,我們看到一個扁平的圓形核,直徑大約一光年。核內有事件視界和黑洞本身。

因為黑洞是看不見的,天文學家不得不利用間接的方法驗證它們的存在。在照片上,他們設法識別黑洞周圍漩渦氣體的「吸積盤」。天文學家現已收集到這些吸積盤的美麗照片。(這些盤狀物幾乎是普遍在宇宙中快速旋轉的物體中發現的。甚至我們的太陽在四十五億年前形成時,它的周圍也有一個類似的盤狀物,後來這個盤狀物濃縮成行星。這些盤狀物形成的原因是,它們代表了某個快速旋轉的物體能量的最低狀態。)

A stellar-mass black hole in orbit with a companion star located about 6,000 light years from Earth.

Source from wikimedia

利用牛頓運動定律,知道了繞中心物體旋轉的星星的速度,就能計算中心物體的質量。如果中心物體的逃逸速度等於光速,那麼光線也不能逃逸,這就間接證明了黑洞的存在。

事件視界位於吸積盤的中心。(不幸的是它太小了,用現代技術還無法確認。天文學家富爾維奧.梅利亞〔Fulvio Melia〕聲稱:在底片上捕捉一個黑洞的事件視界是黑洞科學的最高成就。)不是所有落入黑洞的氣體都通過事件視界。有些從事件視界的旁邊經過噴射到空間,形成兩個長的、從黑洞北極和南極噴出的噴射氣體。這使黑洞的外觀像一個陀螺。(從南北極噴出的原因是:當濃縮星星的磁場線變得更強烈時,磁場線集中在北極和南極。當星星繼續濃縮時,這些磁場線濃縮成從北極和南極放射的兩個管。當離子落入濃縮的星星時,它們沿著這兩個狹窄的磁力線,通過磁場北極和南極噴射出去。)

已確認出兩種類型的黑洞。第一種是恆星黑洞,在恆星黑洞中,重力將把正在死亡的星星壓垮,直至發生內向爆裂。然而,第二種黑洞更容易察覺。這些是星系黑洞,它們潛伏在巨大星系和類星體的正中心,比太陽質量大一百萬倍到幾十億倍。

近來,在我們自己的銀河系中最終找到一個黑洞。不幸的是,塵雲遮住了銀河的中心,要不是這個原因,在地球上每天晚上往人馬座方向看,我們會看到一個巨大的火球。沒有塵雲,銀河系中心的亮度會超過月亮,成為夜晚天空最明亮的物體。在這個星系核的最中心有一個黑洞,重量大約為太陽的二五○萬倍。說到它的尺寸,大約是水星軌道半徑[五,八○○萬公里]的十分之一。按照星系的標準,這不是特別大的黑洞。類星體的黑洞的重量可以是太陽重量的幾十億倍。我們後院的這個黑洞目前是相當穩定的。

下一個離我們最近的星系黑洞位於仙女座星系的中心,這是離地球最近的星系,黑洞質量為太陽的三百萬倍。它的史瓦西半徑大約是六千萬英里[九,六五六萬公里]。(在仙女座星系的中心至少有兩個大質量的物體,大概是幾十億年以前被仙女座星系吞噬的星系留下的。如果幾十億年後銀河系最終與仙女座星系相撞,我們的星系大概將被吞噬到仙女座星系的「胃」裡,這種情況看來有可能出現。)

星系黑洞最美麗的照片之一是哈伯太空望遠鏡拍攝的NGC 4261星系的照片。在過去,這個星系的電波望遠鏡照片顯示兩個從星系北極和南極噴出的非常優美的噴射物,但是沒有人知道它的機制是什麼。哈伯太空望遠鏡拍攝了這個星系最中心的照片,發現一個範圍為四百光年的美麗盤狀物。在它的最中心是一個包含吸積盤的小點,吸積盤的範圍大約一光年。哈伯太空望遠鏡看不見的中心黑洞重量約為太陽的十二億倍。

NGC4261

NGC 4261, source from wikimedia

像這樣的星系黑洞是如此之強大,它們能夠消耗掉整個星星的能量。二○○四年,美國國家航空暨太空總署(NASA)和歐洲太空總署宣佈:他們發現在遙遠星系中的一個巨大黑洞一口吞掉了一顆星星。錢德拉X射線望遠鏡和歐洲XMM─牛頓衛星觀察到同一個事件:RX J124211星系發出的X射線的爆裂標誌著一顆星被中心的巨大黑洞吞噬了。

這個黑洞的重量估計為太陽質量的一億倍,巨大的重力使這顆星扭曲和伸展,直至破裂發出X射線的爆裂,向人們洩露它的秘密。德國加興的馬克斯.普朗克研究所的天文學家斯特凡尼.科莫薩(Stefanie Komossa)說:「這顆星星被拉伸超出了它的破裂點。這顆不走運的星迷路了,走錯了地方,跑到了這個黑洞的附近。」

黑洞的存在有助於解決很多古老的秘密。例如,星系M87一直使天文學家感到奇怪,它看上去像一個大質量的星球,帶一個奇怪的「尾巴」。因為它發出大量的輻射,天文學家曾經認為這個尾巴代表反物質流。但今天,天文學家發現它是由巨大黑洞提供能量的,這個黑洞的質量大約為太陽質量的三十億倍。現在相信這個奇怪的尾巴是巨大的離子噴射,它是從這個星系流出的,而不是流進星系的。

M87

M87, source from wikimedia

有關黑洞最壯觀的發現之一是錢德拉X射線望遠鏡的發現。它通過外太空塵埃的間隙窺視天空,在可見宇宙的邊緣附近觀察到黑洞集。總共看到六百個黑洞。天文學家透過外推,估計在整個夜晚天空至少有三億個黑洞

平行宇宙--正封面本文摘自《平行宇宙》。本書由暖暖書屋出版社出版。

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