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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)

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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關於作者

屋頂上的天文學家

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!
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