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【特輯】為什麼黑洞長得像甜甜圈?十個關於黑洞的快問快答,來測測你跟黑洞有多熟!

「啊,好像貓眼似的。」「我看倒有點像甜甜圈。」這次的黑洞甜甜圈美照圈了不少黑洞粉,好似好似看過黑洞的照片就跟他很熟一樣。

過去因為黑洞的性質太奇怪,許多人包括愛因斯坦,都覺得他應該是不存在的物體。甚至有天文學家說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。」——(Douglas Richstone)

1979年巴黎天文台Jean-Pierre Lumine的手繪黑洞圖像。Source:Science| J.-P. LUMINET

在好不容易能看到他的現在,就讓我們來用快問快答,來測測你與黑洞之間的距離,證明我們才是從很早就開始追蹤、真正的黑洞粉絲!XD

你該不會連這都不知道吧?——基礎知識篇

「黑洞」指的是完全不發出任何光的物體。這一詞是怎麼來的呢?

A. 抬頭突然看到的
B. 算出來的

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。

有趣的是,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。

所以答案是B

 

黑洞是會長大的!它是怎麼「進食」的呢?

A.慢條斯理
B.狼吞虎嚥

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。且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。

所以答案是A

 

太陽會變成黑洞嗎?

A.會
B.不會

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。

但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。所以答案是B

白矮星。圖/pixabay

 

哎呦,不錯喔?看來你是略懂略懂的黑洞系呢——進階知識篇

黑洞可以用來時空旅行嗎?

A.可以
B.母湯

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。

所以答案…比較接近B的母湯

 

抬頭仰望星空,有多少黑洞呢?

A.一個都沒有
B.有好幾個億

利用錢德拉X射線望遠鏡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,答案是B,哇吼!

 

黑洞賭局:天鵝座 x-1 是黑洞嗎?

A.是
B.不是

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,贏的人可以獲得一年份的《閣樓》雜誌。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。

然後霍金就輸了,答案是A

原來這就是黑洞的模樣啊!——關於甜甜圈照片篇

本次觀測到的M87黑洞影像。 Photo credit: EHT Collaboration 

黑洞那麼黑,照片到底是怎麼拍出來的?

A.夠大的望遠鏡
B.好的黑洞模特兒

望遠鏡口徑越大,分辨天體的本領就越高強;藉由事件視界望遠鏡,我們能檢驗以往無法觀察的天文現象──例如黑洞。目前事件視界望遠鏡的主要觀測目標,為銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A* (Sagittarius A*),以及位於橢圓星系的超大質量黑洞M87(Messier 87,亦稱室女A)。

目前的事件視界望遠鏡,整體解析度已增強到足以分辨出月球上的一顆柳丁,而大質量的黑洞也是必須的。所以答案是A+B(喂XD

參與這次計畫的望遠鏡總共有幾台?

A.7個台站
B.8個台站

參與完成這項觀測的望遠鏡共有:阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA),阿塔卡瑪探路者實驗(APEX),IRAM 30米望遠鏡(IRAM),詹姆士克拉克麥克斯威爾望遠鏡(JCMT),大型毫米波望遠鏡(LMT),次毫米波陣列望遠鏡(SMA),次毫米波望遠鏡(ARO)、南極望遠鏡(SPT);其中,由中研院支援的有SMA、ALMA、JCMT。

但由於位置的限制,位於南極的SPT望遠鏡沒辦法觀測到M87,所以實際上是7台,答案是A

 

這張照片「洗」了多久?

A.一年
B.兩年

這次的照片是從2017年4月的觀測中,多台設備同時觀測和紀錄的數據所進行的分析。這幾個台站在五天的時間內共記錄了3500TB的數據,然後花了兩年的時間分析至今,才有我們現在能看的這張照片。

 

為什麼黑洞會像甜甜圈?

A.它本來就長得像甜甜圈啊!
B.黑洞本身的黑和陰影的亮光交織

黑洞本身是「黑」的,所以其實是看不到的,但是我們可以看到它的陰影。陰影的亮光,來自於黑洞周圍的吸積盤。

吸積盤本身會旋轉,而且其內緣(就像是CD片中心開孔的大小)還跟黑洞轉動的快慢有關。在黑洞附近的吸積盤轉動的非常快,因為都卜勒效應的關係,會讓迎面我們而來的那側的吸積盤比遠離我們而去的那側的吸積盤更為明亮。

可以看看以下的黑洞模擬影片:

所以說,你答對了幾題呢?

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