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太陽會變成黑洞嗎?可不可以利用黑洞做時空旅行?──黑洞大解密(二)

屋頂上的天文學家
・2018/07/30 ・3283字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

本文為系列文章,第一篇請見:黑洞是什麼?速度要多快才能脫離黑洞呢?──黑洞大解密(一)

如果太陽變成黑洞,地球會被吸進去嗎?

理論上,只要把一個物體壓縮到它的史瓦西半徑以下,這個物體就會變成黑洞,地球和太陽的史瓦西半徑分別是 0.9 公分和 3 公里。假設把整顆太陽壓縮到半徑小於 3 公里,太陽就會變成一顆黑洞。如果太陽真的變成一顆黑洞,那麼地球會被變成黑洞的太陽吸進去嗎?

答案是不會,地球不會被變成黑洞的太陽吸進去,即使是距離太陽最近的水星也不會,太陽系裡的各個天體還是相安無事的繞著太陽運行。

黑洞的引力不是大到連光都脫離不了嗎?為什麼水星和地球不會被吸進去呢?黑洞的引力並不是無限大,只要離得夠遠,就不會被黑洞吸進去。黑洞就像吸塵器一樣,只有距離近的灰塵才會被吸塵器吸進去,吸塵器對距離遠的灰塵不會有影響。

一個太陽質量的黑洞大小約 3 公里,只有在非常靠近黑洞表面的地方,黑洞的影響才會變得明顯,才需要用廣義相對論來解釋。只要離太陽形成的黑洞夠遠,重力的作用就和牛頓力學一樣。如果太陽變成黑洞,地球還是一年 365 天的週期繞太陽運行,其他行星也若無其事的繞著太陽,唯一不同的是從此地球上只有黑夜,沒有白天。不過前提是太陽變成黑洞後,黑洞的質量和太陽的質量一樣,如果黑洞質量改變就會影響太陽系裡各個天體運行的方式。

如果太陽變黑洞,地球並不會被吸進去,還是繞太陽運行,唯一會改變的是地球上只剩黑夜,沒有白天。 圖/NASA

目前還沒有方法可以把一個物體壓縮到它的史瓦西半徑,但是一顆質量大於 25 太陽質量的恆星在死亡時,靠自己本身的重力就可以把自己壓縮成一顆黑洞!

恆星的一生中都在和重力對抗,恆星核心進行的核融合反應會產生熱,讓恆星對抗自己的重力。熱可以讓恆星往外膨脹,重力則往內收縮,正常的情況下,恆星裡往外和往內兩股力量達到平衡的狀態。當恆星可以用來進行核融合的物質用完後,就沒有熱可以跟重力相抗衡,恆星就會往核心塌縮。

太陽會變成黑洞嗎?

不同質量的恆星演化到最後會有不同的結果。質量在 8 個太陽質量以下的中低質量恆星會塌縮成一顆白矮星;質量在 8 到 25 個太陽質量之間的恆星,最後會演化成一顆中子星;如果恆星的質量大於 25 個太陽質量,最終就會演化成黑洞。我們的太陽在 50 億年後會演化成一顆白矮星,不會變成黑洞。

超過 25 個太陽質量的恆星在經歷超新星爆炸後會變成黑洞,恆星演化和超新星爆炸的過程中,恆星會損耗一些質量,所以這顆黑洞的質量會比原本恆星小。這類經由恆星演化形成的黑洞稱為恆星質量黑洞,它們的質量介於幾個到幾十個太陽質量之間。

超過 25 倍太陽質量的恆星死亡後會變成黑洞,既然黑洞不發光,科學家要如何找到黑洞?又如何可能像科幻作品一樣利用黑洞做時空旅行,進入連接黑洞和白洞之間的蟲洞,穿越時空呢?

黑洞可以用來時空旅行嗎?

黑洞的吸積盤會發出強烈的 X 射線,甚至能量更高的伽瑪射線,科學家就是因為 X 射線才找到天鵝座 X-1 黑洞的。然而這些高能射線的穿透力和破壞力都相當強,會破壞太空船和人體組織,即使沒有直接被 X 射線照射到,太空船也會被 X 射線加熱到非常高的溫度,太空人還沒進入黑洞前可能就已經 GG 了。不過有些黑洞沒有吸積盤,如果幸運地找到一個沒有吸積盤的黑洞,太空船是不是就可以安然進入黑洞呢?

答案是:即使時空旅行是真的可行,要進入黑洞以前還有幾個關卡要通過。科學家已經在宇宙中發現相當多的黑洞,但是到目前為止,還沒有發現一個白洞或蟲洞,所以利用黑洞和白洞之間的蟲洞來進行時空旅行,比較像是科幻小說的情節。

而且,黑洞有很強的重力,而且愈靠近黑洞,重力愈強。假設太空人頭上腳下的方向靠近黑洞,太空人腳部所受到黑洞的重力會比頭部還大,這樣的重力差異就是所謂的潮汐力,這會讓太空人的身體被拉長。重力差異愈靠近黑洞會愈明顯,太空人會愈拉愈長,最後變成麵條一樣細長。

麵條效應,任何東西靠近黑洞時,都會被拉長成細細的麵條狀!

不是只有太空人會被拉成麵條,任何東西都會,一座山、整顆地球,都會被拉成麵條狀,太空船當然也不例外,這就是所謂的「麵條效應」。把人拉成麵條的麵條效應,比滿清十大酷刑還可怕。不過這還沒結束,太空人和太空船會成為吸積盤的一部分,漸漸靠近黑洞,那些構成太空人身體和太空船的物質都會崩解成原子,這些物質會彼此摩擦而發出 X 射線!

並不是所有吸積盤上的物質都能順利進入黑洞,有一部分的物質在黑洞磁場的作用下會形成噴流,噴流會從黑洞的兩極往外以接近光速的速度噴出,形成細細長達數光年的噴流。所以太空人的身體可能有一部分進了黑洞,另一部分則變成噴流離開!

黑洞示意圖。黑洞的噴流和吸積盤,黑洞伴星的物質會先在黑洞外圍形成吸積盤,受到黑洞磁場的影響,有部分的物質會形成噴流。 圖/NASA/ESA

那如果靠近黑洞的不是人、太空船等任何物質,而是「另一個黑洞」呢?

銀河系中恆星與恆星之間的距離相當遠,彼此撞在一起的可能性微乎其微。黑洞的大小比恆星小很多,兩顆黑洞在宇宙中撞在一起的機會更小。不過兩顆黑洞還是有可能撞在一起。大部分的恆星都位在雙星系統中,也就是兩顆恆星互相繞著對方運行,像我們的太陽單獨存在的恆星反而比較少。如果雙星系統中兩顆恆星質量都超過 25 倍太陽質量,這兩顆恆星演化到最後都可能變成黑洞。假如兩顆黑洞的距離夠近,它們互相繞著運行時會持續發出重力波,持續發出重力波則讓兩顆黑洞愈來愈靠近,兩顆黑洞最終會撞在一起形成一顆更大的黑洞

愛因斯坦在 1915 年發表廣義相對論時,就預測重力波的存在,但是重力波非常的微弱,愛因斯坦認為實際上可能偵測不到。這麼微弱的重力波真的有可能偵測到嗎?

黑洞相撞的示意圖。兩顆互繞的黑洞會發出重力波,最後彼此相撞形成一個質量更大的黑洞。 圖/NASA

為了偵測微弱的重力波,科學家在美國的華盛頓州和路易斯安那州建造兩座重力波觀測站 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)。2015 年 9 月 14 日,人類首次偵測到兩黑洞相撞的事件,一顆 35.4 倍及另一顆 29.8 倍太陽質量黑洞相撞,形成一顆 62.2 倍太陽質量黑洞,兩顆黑洞撞擊的威力讓遠在 14 億光年外的地球上都感受到!

兩顆黑洞的總質量是 65.2 倍太陽質量(35.4+29.8=65.2),不過最後形成的黑洞質量是 62.2 倍太陽質量,兩者之間差了 3.0 倍太陽質量(65.2-62.2=3),這 3 個太陽質量轉化成能量,以重力波的方式往外傳播。

截至 2017 年底為止,一共偵測到 5 次黑洞與黑洞相撞所產生的重力波事件,其中質量最小和最大的黑洞分別是 7 和 35.4 倍太陽質量,這些黑洞都是大質量恆星演化而來的,也就是恆星質量黑洞。

理論上只要是物體作加速度運動就會發出重力波,地球繞太陽和月球繞地球都會產生重力波,但是這樣的重力波太微弱了,現在的儀器無法偵測到這麼微弱的重力波。只有兩顆黑洞或中子星碰撞這樣猛烈的事件,現在的重力波觀測站才能觀測到。黑洞本身不會發光,所以天文上的各式望遠鏡都無法直接觀測黑洞。重力波開啟了一扇窗,成為科學家研究黑洞的新工具。愛因斯坦發表相對論的一百年後,重力波才經由兩顆黑洞互撞被偵測到。首次偵測到黑洞互撞產生的重力波,讓研究重力波的三位科學家在 2017 年得到諾貝爾物理獎。

時空旅客請從麒麟座 X-1 登機

現在我們知道如何找黑洞,也知道靠近黑洞會有什麼風險了,那麼,假設、如果太空人可以躲過強烈 X 射線,被拉成麵條狀還能存活,最後還有辦法順利進入黑洞,那麼最近的黑洞位在哪裡呢?

已知最近的黑洞大約在 3000 光年遠的地方,這個黑洞名字是麒麟座 X-1(Mon X-1),第二近的則是天鵝座 X-1,距離我們約 6000 光年(可惜的是這兩個黑洞都是強烈的 X 射線源!)。要到這兩個最近的黑洞,即使是太空人坐上目前最快的火箭,也不可能在一生中抵達。太空人在到達黑洞前,早就已經塵歸塵,土歸土了,還做什麼時空旅行?如果還有人嚮往黑洞時空旅行,那就只能祝福他了!

本文為系列文章,下一篇請見:超大質量黑洞是什麼?為什麼類星體那麼亮?──黑洞解密(三)

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屋頂上的天文學家
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屋頂上的天文學家-李昫岱,天文學博士,曾服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校。大學時交了一群天文社的朋友,從此過著離不開天文的生活,希望透過寫作拉近遙遠天體的距離,讓你發現天文的美好! 歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書和部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!

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2020 重要天文事件回顧
臺北天文館_96
・2021/03/01 ・4340字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

塵埃可能是參宿四變暗的罪魁禍首

參宿四是全天第九亮星,也是獵戶座第二亮星。圖/轉自《臺北星空》

去年年底,天文學家發現參宿四的亮度異常降低,這現象還被某些人解釋為這顆紅超巨星已幾乎沒有核燃料,即將發生超新星爆炸。不過,華盛頓大學和羅威爾天文台的天文學家認為,參宿四更可能只是正在發生其他紅超巨星也會發生的事情:拋出的外層大氣遮住了一些往地球的光線。

天文學家在二月進行的觀測數據中,發現參宿四表面平均溫度比 2004 年的測量低了 50 至 100 度,這個結果使他們更加確定其答案必為星際塵埃,若是對流胞上升至表面冷卻的話,那降幅會更為明顯。

科學家宣稱在隕石中發現了外星蛋白質

血石素的結構。圖/arXiv

繼默奇森隕石發現胺基酸以來,在 1990 年的一塊隕石中,隱藏了更具突破性的進展,蛋白質一般是由多個胺基酸組成的,同時也是地球上幾乎所有生物體中的必要組成成分,從細胞核膜到遺傳物質 DNA 都有蛋白質的身影。在這被稱為「Acfer 086」的隕石所含有的蛋白質,被稱為血石素 (Hemolithin) ,是一種新的命名,旨在描述其具有一半血紅素 (Hemoglobin) 及一半卵磷脂 (Lecithin) 的分子結構,科學家發現的這種新蛋白質,成分中含有鐵和鋰,且氘與氫的比例與地球上的不同,基本上可以確認絕非地球上的物質。儘管研究團隊認為這是最有可能的解釋,但是他們也指出其發現的複合性分子可能不是蛋白質,而只是一種聚合物,所以現在下結論仍為之過早,但是種種跡象顯示「它」是蛋白質的機率相當高。

宇宙最早的物質可能潛藏於中子星的核心

藝術家對於中子星剖面的想像圖。圖/轉自《臺北星空》

中子星是恆星死亡後的核心塌縮而形成,中子星的質量上限約在兩個太陽質量,更大的質量將會形成黑洞,然而最近天文學家發現了少數超過這個上限的中子星。

研究團隊計算了中子星物質的狀態方程式,計算的結果描述了中子星的可能結構。結合最近 LIGO 和 VIRGO 的重力波觀測結果,更進一步揭露了許多中子星內部的訊息。根據他們的研究,這些死亡恆星的中心可能可以找到由夸克形成的核心,其含量甚至可能佔核心組成的一半以上,未來更多的中子星觀測資料將可提升或改善這項研究結果的正確性。

銀河系中也許有至少 36 個外星高等智慧文明存在

除非人類能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則無法與任何外星文明聯絡。圖/轉自《臺北星空》

繼德瑞克方程式後,人類就一直持續在搜尋地外高等智慧文明,但長時間以來一無所獲,新的研究認為該方程式的後面幾項參數,不確定值太多,使得整個方程式的實用性降低,研究人員建立了一套新的參數及計算標準,稱為天文生物學哥白尼極限,在六種嚴格的限制條件下,得到的外星文明數量約為 36個。

若將此 36 個外星文明平均打散在銀河系中,可以得到每個文明的平均距離至少有 17,000 光年,而人類自有無線電訊號以來,也才 125 年,亦即最遠的傳播僅達125 光年,此外,無線電波在傳遞過程中也會逐漸變弱,因此,除非我們能想到如何建造無線電擴音器,並在接下來的 17,000 年都保持人類的生存及技術實力,否則我們仍無法與任何外星文明聯絡。

首次發現奇怪的冥府行星

冥府行星示意圖。圖/轉自《臺北星空》

天文學家發現一顆非常奇怪的系外行星 TOI-849b ,它位於 730 光年遠,母恆星TOI-849 與太陽非常相似。 TOI-849b 僅比海王星小一點,但質量卻是海王星的兩倍多,因此密度與地球差不多!如此高密度顯示它是岩質行星,但大小卻遠高於岩質行星的上限。這意味著它可能是非常罕見的冥府行星(Chthonia),即是大氣層已被剝離的氣體行星核心。

天文學家認為這種極靠近恆星的氣體行星,會被高熱剝離大氣,如 Gliese 3470 b 被觀測正以高速失去其大氣層。但這不足以解決 TOI-849b 大氣全部損失的原因,還有大天體碰撞等事件的可能性。另一可能原因是 TOI-849b 開始形成氣體行星時,沒有足夠的物質成為大氣。又或者是它在行星系統演化後期時形成,抑或是在原行星盤的間隙中形成的,使得沒有足夠的材料來增加大氣。研究小組計劃將繼續觀測,以確定 TOI-849b 是否還剩下任何大氣。

天文學家在本超星系團旁發現了新的長城結構

紅色區塊屬於南極長城。圖/轉自《臺北星空》

宇宙的結構並不是由隨機分佈的星系所組成,而是互纏互繞、具有藕斷絲連的特性,受到萬有引力的影響,較為靠近的星系組合成一個星系群或星系團,或隸屬於一個超星系團,這些藕斷絲連的網狀結構,又被稱為大尺度纖維狀結構,其中最大的一條被稱為武仙-北冕座長城,全長跨越 97 億光年,是目前已知最巨大的結構。新發現的纖維狀結構橫跨南極天空,至少長達 13.7 億光年,發現者將其命名為「南極長城」(South Pole Wall) ,而且南極長城的特別之處在於它離銀河系非常近,簡直就像是在我們的後院而已,僅有5億光年遠,(我們所在的結構稱為拉尼亞凱亞超星系團,直徑達5.2億光年,所以5億光年確實就像是後院的存在)換句話說,它是離我們最近的長城結構。

迄今為止質量最大的合併事件證實了中介質量黑洞的存在

一對黑洞的合併產生新重力波的觀測事件,證實了中介質量黑洞的存在。圖/轉自《臺北星空》

在 70 億光年外,一對碰撞的黑洞產生了新的重力波,在 2019 年 5 月 21 日由 LIGO 和 VIRGO 雙重認證得知,這次的重力波事件是黑洞天文學中最受囑目的發現之一,因為該天體質量介於恆星級黑洞及超大質量黑洞之間,正是天文學家急欲尋找的中介質量黑洞,且我科技部及清華大學研究團隊亦參與其中。本次的重力波訊號與往常的訊號相比非常短,但經過艱困的比對分析後,科學家得知這是分別由 66 倍太陽質量及 85 倍太陽質量的黑洞合併而成,產物為一個約 142 倍太陽質量的黑洞,這是自發現重力波以來迄今為止最大質量的重力波源。

中介質量黑洞是黑洞系列的一個謎團,我們常發現的是恆星質量黑洞及超大質量黑洞,但是藉由重力波的觀測, GW190521 成為對於中介質量黑洞的第一次決定性的直接觀測。超大質量黑洞的形成過程仍是個謎,長久以來,科學家不清楚它們是由恆星大量坍縮聚集而成,抑或是透過一種尚未被發現的方式產生的,所以科學家一直在尋找中介質量黑洞,來填補介於兩者差異甚大的質量空隙,如今,科學家終於有證據可以證明中介質量黑洞確實存在。

歐西里斯號成功登陸貝努收集樣本

OSIRIS-REx 收集樣本示意圖。圖/轉自《臺北星空》

OSIRIS-REx 任務耗資 8 億美元,在 2016 年 9 月發射, 2018 年 12 月 3 日抵達500 公尺大的貝努近地小行星。經過一年多環繞研究後,團隊選擇了一個名為夜鶯(Nightingale)的小隕石坑為降落地點,因為該點表面物質的顆粒較細,且相對新鮮沒經過長期暴露於太空環境而變質。但夜鶯周圍也充滿危險,其中包括要經過一個兩層樓高,綽號厄運山(Mt. Doom)的巨石,而隕石坑內也有其他障礙物,因此太空船的目標是一個寬 8 公尺相對平坦無石塊的區域, OSIRIS-Rex 任務距離達3億公里之遙,相當不容易。臺灣本地時間 10 月 21 日 6 時 12 分歐西里斯號(OSIRISRex)號降落到近地小行星貝努(Bennu)表面,目標是從貝努表面收集至少 60 克的灰塵和碎石,預計 2023 年 9 月 24 日將樣品送回地球,以研究太陽系的起源與生命相關有機物和水的來源。中間還有一段插曲:一些岩石碎塊阻擋導致收集器無法完全閉合,使得在探測器的三公尺機械手臂末端的收集器內的小行星表面碎片樣本,一直在緩慢漏失到太空中,好在後來已經克服此狀況,且收集來的樣本也遠高於當初設定的最低目標。

阿雷西博望遠鏡的輝煌與終結

曾完成多項偉大天文學研究的阿雷西博天文臺,因結構損壞而除役。圖/轉自《臺北星空》

該望遠鏡於 1963 年落成啟用,阿雷西博天文臺開始運作之後,做出的科學貢獻不勝枚舉。 1964 年天文學家藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSRB0531+21,自轉週期33毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。 1974 年,天文學家法蘭克德瑞克及卡爾薩根設計了知名的阿雷西博訊息,內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。 1989 年趁著小行星(4769)Castalia 經過,阿雷西博望遠鏡首次利用其功能描繪出小行星的 3D 圖像,迄今已研究過數百個近地小行星。今年的 12 月 1 日的一聲巨響,支撐平台的纜線應聲斷裂,整個接收平台、900 噸重的心臟與一個纜線塔硬生生撞入下方的碟型天線。雖然造成多大破壞還在評估,但照片與影片仍然震驚所有人,阿雷西博望遠鏡結束其 57 年傳奇的一生

嫦娥五號返回艙帶回月壤, 40 年以來的新鮮貨

中國嫦娥五號於去年年底返航,完成人類 40 年來首次收集月球樣本的任務。圖/轉自《臺北星空》

歷經 23 天的飛行,攜帶著月壤的中國嫦娥五號返回艙於 12 月 17 日凌晨 1 時 59 分安全返回地球,這是 40 年來首次收集月球樣本的任務。其返回艙在中國北部內蒙古四子王旗著陸場著陸。內蒙古地區夜間達攝氏零下 30 度,對於地面工作人員的準備是一大考驗。

嫦娥五號於 12 月 1 日登陸月球,並於兩天後開始返航,中國航天局也在月球上,升起了中國五星旗幟。此次任務是自 1976 年蘇聯「月球 24 號」任務以來的首次嘗試,使中國成為繼美國和蘇聯之後,第三個從月球上取回樣本的國家。飛船的任務是在「風暴洋」的區域收集兩公斤 (4.5磅) 的物質,該區域是一片廣闊的、此前尚未被探索過的熔岩平原。

中國的科學家們希望藉由採集回來的樣本了解月球的起源、形成以及月球表面的火山活動,並期望在 2022 年以前建立一個載人太空站,並最終將中國人送往月球。

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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!

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黑洞是什麼?速度要多快才能脫離黑洞呢?──黑洞大解密(一)
屋頂上的天文學家
・2018/07/30 ・3877字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 469 ・五年級

黑洞在最近幾年變得很熱門,2016 年科學家公布發現兩顆黑洞相撞產生重力波,2017 年研究黑洞相撞產生重力波的科學家得到諾貝爾獎,而 2018 年科學家可能公布黑洞的影子影像!

常常出現在科普文章和科幻小說中的黑洞,是大家相當熟悉的名詞,但是對黑洞到底是什麼?似乎又覺得陌生,接下來就來為你解密黑洞!

黑洞的示意圖。 圖/NASA JPL-Caltech

什麼是黑洞?

認識黑洞之前,先來認識什麼是脫離速度

要跑得多快才能脫離黑洞?

脫離速度是指一個沒有動力的物體,脫離一個天體表面,不再掉下來的最低速度。以地球為例子,不考慮地球大氣的情況下,一個物體要離開地球的脫離速度是每秒 11.2 公里,只要一個物體的速度超過每秒 11.2 公里就會永遠離開地球,如果物體的速度小於脫離速度就會再落回地球。脫離速度和天體表面的重力有關,跟物體本身的質量沒有關係,一顆小石頭和一棟房子脫離地球表面的速度都是每秒 11.2 公里。

月球的重力比地球小,所以脫離月球表面的速度就只要每秒 2.4 公里。而太陽表面的重力比地球大,所以需要超過每秒 618 公里的速度才能脫離太陽。

如果在黑洞的表面(事件視界)上,那麼要離開黑洞的脫離速度是多少呢?黑洞的脫離速度超過每秒 30 萬公里,也就是要超過光的速度。但是世界上沒有東西可以跑得比光還快,所以連光都無法離開黑洞的表面,也就是說一但有東西掉入黑洞的事件視界,就永遠跑不出來了。因為連光都離不開,所以黑洞不會發出任何的光(或電磁波),這樣的物體就稱為黑洞。

史瓦西「算出來」的黑洞

黑洞的觀念一開始是從理論上算出來的。1915 年,愛因斯坦發表廣義相對論,幾個月後德國的物理學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)在愛因斯坦的重力場方程式中,找到一個精確解。史瓦西的精確解導出所謂的史瓦西半徑,也就是一個不旋轉且不帶電的黑洞大小,在這個黑洞半徑內,任何東西都無法逃脫,包括光。

史瓦西的照片。圖片來源:維基百科

史瓦西把他的計算結果寄給愛因斯坦,愛因斯坦非常的驚訝,因為當時愛因斯坦本人只算出近似解,愛因斯坦用這個近似解成功解釋水星的近日點進動。更讓人佩服的是,史瓦西當時深受病痛,還為德軍在蘇聯前線作戰,居然可以在這樣的情況下,得出這樣驚人的成果!

史瓦西在給愛因斯坦的信中寫到,「就如你所看到的,這場戰爭對我並不壞,雖然身處戰火之中,但是戰爭讓我暫時遠離這個世界的紛擾,悠遊在你所創造的世界裡。」從這段文字中,可以看見史瓦西對科學的喜愛。可惜的是,史瓦西在 1916 年 5 月病逝,得年 42 歲。

可能是黑洞的概念太怪異了,愛因斯坦不認為宇宙中真的有黑洞,他認為黑洞只是存在於相對論的觀念裡,是一個理論上算出來的東西。這個連愛因斯坦都懷疑的天體,它到底存不存在呢?

接著,我們來看看天鵝座 X-1(Cyg X-1)雙星系統從被發現到確認它存有黑洞的故事。

天鵝座 X-1 的現身

天鵝座 X-1(Cyg X-1)是最早發現的 X 射線源之一,所謂的 X 射線源就是會發出 X 射線的天體,天鵝座 X-1 是天文學家在天鵝座發現的第一個 X 射線源,所以就稱為天鵝座 X-1。一開始科學家並不了解為何天鵝座 X-1 會發出 X 射線,也不知道天鵝座 X-1 是什麼樣的天體。經過仔細研究後,發現天鵝座 X-1 是一個雙星系統,也就是兩個天體在彼此的重力吸引下互繞運行著。天鵝座 X-1 雙星系統中的一個天體是藍超巨星,它的編號是 HD 226868,另外一個天體則是黑洞,也就是發出 X 射線的來源。

天鵝座X-1的示意圖,吸積盤的中央是黑洞,右邊是它的藍巨星伴星HD 226868。圖/NASA

天鵝座 X-1 的伴星是 HD 226868,HD 226868 的物質在黑洞的附近先形成一個吸積盤,然後再掉進黑洞裡,吸積盤的溫度非常高,這樣的高溫會發出 X 射線,這就是天鵝座 X-1 的 X 射線來源。

黑洞不是不會發光嗎?為什麼還會發出 X 射線?發出 X 射線的是黑洞的吸積盤,不是黑洞本身,吸積盤位在黑洞的外圍,離黑洞還有一段距離,所以能夠發出 X 射線。

透過觀察 HD 226868 的運動,天文學家可以量測出天鵝座 X-1 黑洞和伴星 HD 226868 的質量,它們的質量分別是太陽質量的 15 倍和 19 倍左右。天文學家是如何知道天鵝座 X-1 是一個黑洞,而不是其他的天體呢?

如果天鵝座 X-1 是一顆 15 倍太陽質量的恆星,它發出的可見光一定會被看見。如果天鵝座 X-1 不是一顆恆星,有可能是恆星死亡後的殘骸嗎?恆星死亡後留下來的殘骸有三種:白矮星、中子星和黑洞。白矮星和中子星只發出微弱的可見光,不過白矮星和中子星的質量都有上限,白矮星最重不會超過 1.4 倍太陽質量,而中子星最重也不會超過3倍太陽質量,天鵝座 X-1 的質量是太陽的 15 倍,遠遠大於白矮星和中子星的質量上限,所以扣除恆星、白矮星和中子星的可能,天鵝座 X-1 最可能就是黑洞!

霍金與索恩著名的黑洞賭注

1975 年,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和基普 · 索恩(Kip Stephen Thorne)曾經打賭,打賭的內容是到底天鵝座 X-1 到底是不是黑洞?霍金打賭不是,而索恩則打賭是。這兩位天文物理學家都是黑洞的權威,霍金對黑洞提出新的想法,寫過《時間簡史》這本極受歡迎的科普書,索恩則是因為重力波的研究在 2017 年得到諾貝爾物理獎,另外索恩曾經在《星際效應》電影中擔任科學顧問,讓電影中的黑洞看起來更真實。

霍金和索恩的賭注是雜誌,輸的人要訂閱雜誌給贏的人,為什麼霍金會打賭天鵝座 X-1 不是黑洞呢?霍金解釋說他一輩子研究黑洞,當然希望黑洞確實存在,萬一黑洞只是一個虛構的天體,他希望至少還有一些雜誌可以看。後來更多的觀測證據顯示天鵝座 X-1 真的黑洞,霍金承認他賭輸,黑洞確實存在!所以索恩獲得一年份的《閣樓》雜誌,這次打賭的結果皆大歡喜,沒有輸家。

看到這裡你可能會想:既然黑洞真的存在,那麼,他是怎麼怎麼長大的?

一般人對黑洞的印象是引力非常強大,貪得無厭,沒有東西逃得過黑洞的引力,黑洞會把所有東西都吞食下去!不過真的是這樣嗎?

被伴星餵大的黑洞

黑洞長大的速度是相當慢的,比較像是細嚼慢嚥的吃東西,不會一口氣吞掉一整顆恆星。而且絕大部分的恆星質量黑洞都是被餵大,並不是自己主動去爭搶食物。

以兩個水池為例,說明黑洞如何從伴星獲得質量,下圖中左邊水池代表黑洞,右邊水池代表繞黑洞運行的伴星,兩個水池之間有一水道相連。

兩個水池的剖面圖,水池之間有水道相連,左邊水池象徵黑洞,而右邊水池代表黑洞的伴星。右邊水池的水要如何移到左邊水池呢?第一種方式,右邊水池的水滿過水道;第二種方式是從右邊水池潑水過去。製圖/李昫岱

雖然左邊水池比右邊水池還要深,但是右邊水池的水並不會自然的流到左邊。黑洞也是一樣,即使黑洞的引力很強,不過並不一定會把伴星的物質吸過去。那麼什麼樣的情況右邊水池的水會流到左邊水池呢?

第一種方式是右邊水池的水滿到水道的高度,水就會從右邊水池流向左邊。黑洞和一顆小質量伴星的情況中,當小質量伴星演化到末期,伴星會膨脹成紅巨星,伴星膨脹後,物質就會自然地流向黑洞,就像水池裡的水滿過水道一樣。

第二種方式是從右邊水池潑水到左邊水池。這種情況會發生在黑洞和大質量伴星的系統,大質量伴星會發出強烈的恆星風,把物質吹向黑洞,這就像是從右邊水池潑水到左邊水池。

這兩種方式都是恆星質量黑洞長大的方式,黑洞並不會主動掠奪伴星的物質,而是被伴星餵大的!

慢條斯理而非狼吞虎嚥

前面提到的兩種黑洞長大的方式,伴星提供的物質並不會直接掉進黑洞,而是先在黑洞外圍形成吸積盤,再慢慢從吸積盤掉進進黑洞。

黑洞示意圖,黑洞伴星的物質會先在黑洞周圍形成吸積盤,再慢慢掉入黑洞。圖/ESA

吸積盤上的物質其實並沒有那麼容易掉進黑洞,吸積盤就像土星環一樣,土星環上的物質也繞著土星運轉,它們只會繞著土星運行,而不會掉進土星。這也和太陽系裡的行星很類似,行星以圓形的軌道繞太陽運行,但是不會掉進太陽。那麼吸積盤上的物質要如何掉進黑洞?

以低軌道人造衛星為例子來說明,低軌道人造衛星原本繞著地球運行,但是受到上層稀薄大氣層的摩擦,速度會漸漸變慢,讓人造衛星慢慢靠近地球,最後掉入地球燒毀在地球大氣層裡。吸積盤上的物質跟人造衛星掉入地球類似,靠近黑洞吸積盤內側的物質繞黑洞的速度會比外側的物質快,因為速度不一樣所以會產生摩擦,物質之間的摩擦讓吸積盤上的物質轉速變慢,讓物質更靠近黑洞,最後掉進黑洞裡。吸積盤上的物質會因為摩擦而產生高溫,高溫的吸積盤甚至會發出強烈的 X 射線和伽瑪射線,所以科學家通常會用 X 射線和伽瑪射線望遠鏡去發現、尋找黑洞。

吸積盤上的物質愈靠近黑洞旋轉的速度愈快,因為物質的速度不一樣所以會產生摩擦,摩擦產生高溫會讓吸積盤發出 X 射線。製圖/李昫岱

本文為系列文章,下一篇請見:如果太陽變成黑洞,地球會被吸進去嗎?有沒有可能用黑洞進行時空旅行?──黑洞解密(二)

 

  • 編按:人類史上第一張黑洞的影像於 2019 年 4 月 10 日晚間公布,快來一起看看吧!
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屋頂上的天文學家
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屋頂上的天文學家-李昫岱,天文學博士,曾服務於中央研究院天文所及美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校。大學時交了一群天文社的朋友,從此過著離不開天文的生活,希望透過寫作拉近遙遠天體的距離,讓你發現天文的美好! 歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書和部落格,一起航向宇宙,浩瀚無垠!

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看見了!黑洞在合併:那場讓「重力波」現形的大事
研之有物│中央研究院_96
・2019/10/25 ・4302字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯/郭雅欣,美術編輯/林洵安

若說起近年科普界最火紅的關鍵字,絕對少不了「重力波」。重力波爆紅的原因,無非是位於美國的雷射干涉儀重力波觀測站 (LIGO) 在 2015 年首度觀察到來自一場黑洞合併事件引起的重力波,並於 2017 年獲得諾貝爾物理獎的肯定。重力波到底是什麼?和黑洞又有什麼關係?2019 年中研院院區開放日,中研院物理所吳建宏研究員的精彩演講「利用重力波探測宇宙黑洞」,要跟大家聊聊重力波大小事。

重力像水波?

宇宙萬物之間都有重力,比如說,地球是因為具有重力,才能把我們「吸」在地表上;太陽是因為具有重力,才能讓八大行星不斷繞著它公轉。

不過,愛因斯坦的廣義相對論中,認為重力是來自空間的扭曲,質量愈大的物體,周圍的空間就扭曲的愈厲害。而當物體加速度前進時,則會使空間的扭曲發生變化、產生「漣漪」,這就是「重力波」。

吳建宏形容:「就像水中的漣漪那樣,水波是依賴著水而存在,重力波則是依賴著空間而存在。」

既然宇宙中有那麼多天體,而且質量大的也不少,可以想像我們所處的「空間」到處都是重力波,一點也不平滑,反而可能像處處水波蕩漾的大池塘,真是顛覆直覺!

重力波示意圖。當物體加速度前進時 (如兩個超大質量星體互繞),會使空間的扭曲發生變化、產生「漣漪」,這就是「重力波」。 圖/R. Hurt/Caltech-JPL

既然重力波到處都是,為什麼在愛因斯坦 1916 年提出重力波之後,我們相隔了約一百年,才終於透過 LIGO 找到了它存在的證據呢?

因為重力波能引起的「波動」非常的小,科學家估計即使是劇烈的天體合併事件,能引起的重力波所造成的空間擾動,傳遞到地球時,數量級也頂多只有 10-12 比 1,換算下來,一個一公里長的物體,因為重力波而造成的改變量只有千分之一個原子核直徑那麼長而已,也難怪愛因斯坦在提出重力波之後,曾說過「我們可能永遠測量不到重力波的存在。」不過,幸好如此,我們才不會感覺自己一下子變矮、一下子又變胖,對吧?

儘管連愛因斯坦都沒把握測得到,但不要小看科學家的鬥志。既然波動很小,我們就設計超級精密的儀器來測量它!在科學家大無畏的精神下製造出的 LIGO ,精確度數量級硬是高達了 10-22

在愛因斯坦提出重力波的一百年後,我們終於找到了重力波存在的證據。

LIGO 的完美 L

科學家是怎麼做到的呢?答案就在 LIGO 超特別的設計裡。LIGO 包含了一組相互垂直、呈 L 形的兩根管子,每根管子的長度都是四公里。

一開始,從交角處出發的雷射光,會被分光鏡分成兩道,各自沿著兩根管子前進,再由管末的反射鏡反射回來。雷射光來回反射四百趟之後,會在交角處會合並互相干涉。

在沒有重力波的情況下,從兩根管子回來的雷射光走的路程長度完全相同,在干涉過程中會彼此抵消,不會產生訊號。

但如果重力波引起空間扭曲,就可能對兩根管子的長度產生影響,拉伸或壓縮了一點點,兩道雷射光的光程就會有些微不一樣,回到交角處時的相位也會有一點點差異,這一點點的差異就足以讓 LIGO 精密的干涉儀器產生干涉訊號,讓科學家知道:「嘿!剛剛有重力波經過這裡!」

換言之,儘管重力波能產生的空間擾動超級小,但 LIGO 把雷射光的光程拉得超級長,盡可能把重力波造成的空間擾動放大到可觀測的程度,然後等待足夠大的重力波來臨時,就是我們窺探它的好機會。

雷射光被分光鏡分成兩道,分別沿著兩根管子前進,經由管末的反射鏡反射四百趟之後,兩道雷射光會在出發的交角處會合並互相干涉。如果沒有重力波,兩道光程一樣 (兩根管長一樣),不會出現干涉條紋。如果有重力波經過,光程不同 (管長些許不同),就會出現干涉條紋,藉此偵測出重力波。
資料來源/LIGO will be getting a quantum upgrade
圖/黃曉君、林洵安

看見了!黑洞在合併

當然,儘管我們用 LIGO 這樣的儀器做了萬全的準備,要看到「足夠大」的重力波,還得有天時地利的幫助才行。

重力波雖然可以穿透萬物,不像光一樣容易被擋住,但若波源太遠,波的強度還是會隨著距離逐漸減弱,所以得有一個距離地球不太遠,又能產生明顯重力波的波源才行。

此外,要產生重力波,需要天體系統在旋轉時的「輪廓」產生變化,也就是這個系統本身的外觀愈不對稱愈好。

如果是一個球狀對稱的天體在自轉,或者天體很平均的向內塌縮,是不會產生重力波的。反過來說,一個雙星系統彼此繞行最後合併的過程,由於雙星位置一直變換,整個系統的不對稱性高,因此產生的重力波就會比較明顯,所帶出的能量也會比較大,相對容易觀測。

既然如此,最可能產生重力波的事件,就莫過於「黑洞合併」及「中子星合併」了。以下是以電腦模擬兩個黑洞合併事件以及在過程中發出的重力波。

黑洞中子星都可以是恆星老年死亡後塌縮下的產物。恆星倚賴核心的物質進行核融合反應,來抵抗自身重力,一旦邁入老年,內部的核融合燃料漸漸減少,就會抵抗不了重力,整個球體往內塌縮成更小的球體。

如果恆星的質量夠大,最後會在一場「超新星爆炸」後,留下中子星,其中所有的電子、質子都被重力壓縮合併成中子,可以想見重力有多麼巨大!如果要形成黑洞,需要的重力又比中子星的更巨大,連中子都被壓縮,形成一個密度無限大的「奇異點」,位於黑洞中心,它是一個以目前的物理還無法解釋到底是什麼的「點」。

黑洞與中子星是宇宙中密度最大及次大的天體,如果彼此互繞又合併,放出的重力波一定有機會看得到。

果不其然,2015 年 9 月,LIGO 團隊首度偵測到的重力波,訊號就來自距離地球約 13 億光年的一次黑洞合併事件,兩個黑洞的質量分別約為 36 倍太陽質量和 29 倍太陽質量。這個結果讓全世界的物理學家都震驚了,因為這是重力波真正存在的第一個鐵證!

接下來的兩年內,LIGO 及 VIRGO 又陸續觀測到三次黑洞合併事件引起的重力波,還在 2017 年 8 月首次觀測到由中子星合併事件引起的重力波!由於中子星會放出可見光,科學家利用其他望遠鏡對這次的合併事件的觀察結果,也得到許多珍貴的新發現,例如重金屬元素的形成。

LIGO 與 VIRGO 並非世界上僅有的重力波探測計畫。科學家會利用分布世界各地的無線電波望遠鏡,組成波霎定時陣列 (PTA),由於波霎就像極為精準的燈塔一樣,隔著固定的時間間距放出無線電波,因此,如果波霎受到重力波的影響,導致放出的無線電波傳遞到地球的距離有了一點點改變,就會使它來到地球的時間提早或延遲一點點,科學家可以透過觀察這個微小的時間差來搜尋重力波。

另一方面,歐洲太空總署預計在 2030 年發射「雷射干涉儀太空天線」 (LISA),包含三個太空船,彼此相距 250 萬公里,利用和 LIGO 類似的設計,從彼此間傳遞的雷射光干涉結果來尋找重力波。

這幾個重力波探測計畫針對的重力波頻率各有不同,因此可以找到不同的重力波源,重力波的頻率愈低,愈可能是質量愈大的黑洞或中子星合併事件,因為系統所占空間愈大,彼此繞行一圈要花的時間也愈久,放出重力波的周期也跟著愈長。

雷射干涉儀太空天線 (LISA) 示意圖。在太空中的三個相距 250 萬公里的探測器會朝彼此放出雷射光,當有重力波經過造成空間擾動,使太空船間的距離改變時,會影響雷射光的干涉結果。 圖/NASA

重力波:探索天文的新神器

在探尋重力波的路途上,黑洞扮演著重要的角色,宇宙中的黑洞合併事件讓我們有了窺探重力波的機會。反過來,在科學家證實重力波的存在,並且一次次探測到重力波之後,也準備利用重力波來研究天文,這是因為重力波在傳遞過程中,不會受到任何物體的干擾,不像光或粒子容易被擋住,所以重力波可以將波源的訊息,例如合併事件中的黑洞質量及自旋,完整的傳遞出來。因此,重力波是研究黑洞、甚至是其他天文課題的好工具。

在我們千辛萬苦找到重力波之後,重力波反轉角色,從被觀察的對象,變成研究天文的好工具。

舉例來說,從重力波的觀測,我們看到了許多雙黑洞合併的事件,這或許可以對於「超大質量黑洞」起源提供佐證。

多數黑洞的質量落在幾十個太陽質量的範圍,通常是恆星死亡所造成,然而宇宙中有許多質量比這大很多的超大質量黑洞,例如銀河系中心的黑洞有 400 萬倍太陽質量,前陣子由中研院天文所拍攝到首張黑洞照片的主角 ── M87 星系中心的黑洞,更是高達 65 億倍太陽質量。

這些大得讓人無法想像的黑洞,起源一直令人好奇。目前主流認為,它們是由普通黑洞彼此不斷合併而逐漸形成的。

另一方面,重力波也可望在吳建宏目前所研究的「太初黑洞」(primordial black holes) 課題上,提供重要的協助。

太初黑洞最早是 1970 年代由霍金所提出,指的是宇宙剛剛形成時產生的黑洞。當時宇宙還沒有任何天體形成,只有一些物質分布,有些地方分布得比較緻密,就可能塌縮產生黑洞。

這些太初黑洞和目前所知的黑洞不太一樣,質量可以非常的小,只有 1012 公斤,大約是地球上一座冰山的質量。因為黑洞會不斷放出輻射而蒸發,這麼小的黑洞,蒸發速度很快,如今應該幾乎都消失了。

那麼,重力波如何能幫忙找到太初黑洞呢?關鍵是:太初黑洞是早期宇宙中物質分布比較緻密的地方,在形成時物質的分布是不對稱的。如前面所說,不對稱的系統會放出重力波。

儘管這些小小的黑洞可能都蒸發消失了,但曾經發出的重力波不會消失。如果太初黑洞數量夠多,產生的重力波疊加起來,我們應該有機會觀察得到。換句話說,重力波能夠為太初黑洞的存在與否提供佐證。

太初黑洞可能很迷你,卻留下了永遠不會被抹滅的重力波訊號。

總之,重力波的研究才剛剛開始,但物理學家們都非常看好,引頸期盼它能帶來更多驚喜!

中研院物理所吳建宏研究員,以深厚的學養、推廣科學的使命感,將高深的重力波學理,轉化為生動好懂的科普演講,在 2019 年中研院院區開放日與民眾分享。 攝影/林洵安

 

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為〈重力波,I got you!那場黑洞合併事件出賣你了〉泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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