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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)

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)

 

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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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