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解析黑洞的種類與結構!——黑洞旅行團,出發!(中)

ntucase_96
・2021/12/19 ・2978字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報黑洞旅行團,出發!(中)–黑洞種類與結構

各位旅客好,在上一篇行前通知<黑洞旅行團,出發!(上)>文章中,我們介紹了本次旅行即將探訪的目的地:黑洞,它附近龐大的重力,會造成光線極度的扭曲,形成各種在地球上從未見過的獨特景象。現在就讓我們出發前往這趟旅程的目的地:CASE 星系中心的超大質量黑洞。

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宇宙中有著數以億計的各式天體,其中也包含了大大小小的黑洞。圖/Pixabay

「航行天數 3915 日:鄰近麒麟座 X-1 黑洞。」

「各位沉睡許久的旅客,請活動活動筋骨,和我一同用 X 光望遠鏡,向外看去。在各位視線中有個非常明亮的光點,那裡便是距離地球最近的黑洞:麒麟座 X-1,距離地球約 3000 光年。由於它附近環繞物質的劇烈高速運動,彼此互相摩擦後形成極高溫的區域,而放出強烈的 X 光。」

「在廣大的宇宙中,分布著無數的黑洞,其質量分布差距非常大。從數十個太陽質量的恆星級黑洞,一直到數十億太陽質量的超大質量黑洞都存在。前者的體積小,數量也相對較多,在星系裡四處分布著;後者則是巨無霸,通常只會出現在星系的中心。」

「導遊!為什麼我們要將目的地設在數量十分稀少,且距離地球十分遙遠的超大質量黑洞呢?好不容易來到這個 X-1 黑洞,何不把我們的親近黑洞行程安排在這?」

「因為恆星級別的黑洞,它附近有非常狂暴的『潮汐力』,會撕碎任何意圖接近它的傢伙!」

潮汐力是什麼?

黑洞是由非常龐大的質量壓縮在一個極小的區域所形成,舉例來說,要形成黑洞,要將太陽的質量壓縮在約台北市大安區大小的區域[1]。龐大的質量貢獻了極強的重力;十分緻密的分佈,則導致黑洞附近極大的重力變化。當我們站在地球上時,會感受到重力(地心引力)的作用;而且由於重力與距離平方成反比,我們距離地球越遠,受到的重力會越小。因此,準確來說,當我們站在地上,我們腳所受的重力其實會比頭所受到的力稍稍來的大,只是這個「稍稍」我們完全感覺不出來(如圖一)。但是在恆星級別黑洞附近則不是這麼回事,由於龐大的質量集中在很小的區域,在靠近該黑洞表面時,頭到腳這樣的距離就足以產生非常明顯的重力差距,大到可以將各種物體直接撕裂。這種力由於是因為某一物體兩端所受重力大小不同所造成,和潮汐的成因相似,因此又被稱為「潮汐力」。

圖一、潮汐力成因示意圖(未按比例繪製)。地球附近之重力場較為均勻,頭與腳所受的重力大小差距並不明顯。但在恆星級黑洞附近,頭與腳所受力有明顯差異,人會被拉長,因此也稱作「義大利麵效應」。

「航行天數 20xxx 日:目的地就在您的正前方」

「各位旅客午安,請大家往窗外看(圖二),外面明亮具有光環的天體,便是我們這趟旅程的目的地。」

圖二、具有自旋的黑洞附近景象模擬圖。來源:筆者電腦模擬

黑洞的特徵

「黑洞看起來都長得差不多,它們有什麼特徵嗎?」

「如同看到一隻可愛的狗,我們會依照牠的毛色、體型、五官等等特徵加以分類:這隻是黃金獵犬,那隻是邊境牧羊犬…。那黑洞該如何分類呢?黑洞其實是個單純的天體,儘管它吞噬、吸收了各式各樣的物質,但最後都只化成三種特徵:質量、角動量以及電荷,或是白話一點說,就是他吃了多少東西、轉得有多快、帶有多少電。這便是著名的『黑洞無毛定理』,描述黑洞就像個光禿禿的球,表面不帶有任何複雜的資訊,所有吞噬的物質,最終都轉化成這幾種特徵。不同種類的黑洞,由於其扭曲周圍時空的方式不一樣,因此會使得周遭景色出現差異。」

「黑洞外圍可以大致分為數個區域[2],請各位看向這張圖(圖三)。最靠近黑洞的地方有一圈被稱為「事件視界」的邊界,這個邊界是一個絕對的單向道,任何事物只要進入事件視界,便會被龐大的重力吸入黑洞中心,即使連光也無法逃離。因此,有時候事件視界也會被稱作是黑洞的表面。」

圖三、黑洞附近的結構示意圖。來源:筆者修改自 ESO 原圖。

「那黑洞裡面有什麼?」

「有趣的是,根據目前的物理理論,黑洞裡什麼都沒有,他所吸收的全部質量,全部都集中在正中心一個被稱為『奇異點』的地方。由於在極小的區域擁有極大的質量,現存的物理理論在那無法適用,是目前最前沿的物理研究感興趣的地方。如果要說那裡有什麼,我想肯定會有一群物理學家吧!」

「如果我們從事件視界往外走,會碰到『光子球層(Photon Sphere)』。當光靠近黑洞時,路徑會被曲折、彎向黑洞,在這個半徑上,重力大小恰好將光的軌跡彎曲成環狀,使得光就如同人造衛星環繞著地球一般前進。但這個軌道十分不穩定,任何擾動都可能使光落入黑洞或逃至外太空。有趣的是,若是各位前往此處(當然實際上無法,請別這麼做!),由於光線會繞著黑洞前進,因此你背後的光會繞黑洞一圈來到前方,也就是你可以直接看到自己的後腦勺!」

「若是我們再向外走,就會來到物質的最內穩定軌道,從此處向外,黑洞龐大的重力吸引著無數的物質環繞著黑洞運行,形成如同土星環般的盤狀構造,我們稱其為『吸積盤』。這裡各種物質以十分高速環繞黑洞運行,它們彼此之間的相互摩擦,會產生極高的溫度,而放出強烈的光…」

「感謝各位參與我們的黑洞旅行團,由於時間限制,今天的導覽行程就到此暫告一段落。我們這次從一個俯瞰的視角,了解黑洞附近的結構。下一個行程,我們則要想像自己化身為一道光,從遠處向著黑洞方向前進,看看最後會落入黑洞,陷入一片漆黑?或是順利逃離黑洞引力束縛,奔向附近絢爛的星系?甚至是恰到好處的進入光子球層,在黑洞附近不知疲憊的繞圈圈?這些不同的光線,組成了黑洞附近特殊的景象,也將是我們下一篇文章的重點:黑洞光線追蹤。有興趣的旅客,請盡速預約行程。」

延伸閱讀

本系列文章:
黑洞為什麼不黑?彎曲的光與重力透鏡——黑洞旅行團,出發!(上)
巨大的黑洞反而不危險?——黑洞旅行團,出發!(中)
怎麼模擬出真實的黑洞樣貌?光線追蹤技術——黑洞旅行團,出發!(下)

註解

參考資料

 

國中生的科普素養閱讀平台: 《科學生》,素養強化訓練 今天就展開!

文章難易度
ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。


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媽媽我不想努力了!想多生一個?研究顯示:爸爸先當「神隊友」

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/20 ・3707字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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|劉芝吟
  • 美術設計|林洵安

家務分工與生育率的本土研究

搶救生育大作戰!臺灣生育率持續走低,人口負成長的警訊近在眼前,除了給薪育嬰假、育兒津貼,2021 年 8 月,政府的生育獎勵也提前至第二胎就發放,鼓勵夫妻多生孩子。加碼補助真的會讓大家願意再生下一胎嗎?搶救少子化,我們還能做些什麼?中研院社會學研究所鄭雁馨副研究員從實證研究發現,高教育背景女性生第二胎的意願,會受到家務分工影響,尤其丈夫是否分攤育兒工作更是關鍵。

工作、家庭蠟燭兩頭燒的「臺灣金智英們」

2019 年,《82 年生的金智英》颳起一陣話題旋風。電影細膩刻劃主角金智英在成長過程、家庭、職場面臨的性別處境,包括同工不同酬、婚姻與育兒負擔,不只衝出南韓高票房,在臺灣同樣掀起熱議。

「未婚的時候催趕快結婚,結婚以後催趕快生孩子,有了女兒又說再生兒子,生個孩子也不會改變什麼。」電影這段揪心金句,道出了無數女性面對婚育壓力的心聲。

然而,生個孩子,真的不會改變什麼嗎?

中研院社會所副研究員鄭雁馨副研究員,從多年研究提供幾個具體數據。根據國外不同學者在 2005、2019 年發表的論文(Gjerdingen & Center, 2005;Kim & Cheung, 2019),當家庭迎來新生兒,妻子花在家務和育兒的時間會大幅上升,丈夫的改變則不大。類似現象,也出現在臺灣。

隨著教育程度大幅提高,臺灣女性的勞動參與率節節上升,不過,家務勞動的時間卻沒有明顯變化。鄭雁馨從 2016 年「婦女婚育與就業調查」發現,臺灣婦女平均仍負擔近 80% 的家務,多數人白天在職場奔波,回家後,太太與媽媽們的「第二輪班」才正要開始……

白天在職場奔波,晚上仍要一手料理家務、育兒,是多數臺灣婦女的生活寫照。圖/iStock

臺灣婦女負擔近八成家務

誰做家事?誰來分攤育兒壓力?乍看只是小夫妻的互動模式,實際影響遠遠不止於此。

長年研究人口學的鄭雁馨直言:「臺灣女性在公領域和男性平起平坐,但如果私領域的性別平等沒有跟上腳步,整體生育率就很難提升。」眾多的西方調查已顯示,有沒有一個「神隊友」,將會影響女性是否想再生一胎。

然而過往的研究較少針對東亞社會,鄭雁馨採用 2016 年行政院主計總處的婦女婚育與就業調查,從 3564 筆年齡介於 15–49 歲且至少有一個 18 歲以下子女的女性樣本,分析「教育程度」與「家務分工」對臺灣婦女生育意願的影響,進行本土性的實證探討。研究結果在 2020 年獲刊於美國頂尖家庭期刊《Journal of Marrige and Family》,這也是將近 10 年後臺灣的家庭研究再次登上此期刊。

從數據來看,臺灣家庭分工呈現何種面貌?

調查發現,臺灣已婚婦女平均每天要花上 6.2 個小時,包括處理家事雜務、照顧一家老小,種種占了將近八成的家務。已婚男性則大約負擔 22% 的整體家務,家事、育兒的比例相差不大。

其中,有 48.5% 的女性受過高等教育,而這些高等教育程度的婦女,通常會獲得丈夫比較多的家務支持。整體而言,妻子的教育程度、收入與丈夫投入家務分工比例,呈現正相關——當妻子的社經地位越高,有越高機率擁有一個更積極分工家務的丈夫。

換言之,家務分工會隨著社會階層呈現不同樣貌:高社經婦女確實多了不少來自隊友的「後盾」支持。

家事分工越平等,媽媽更願意生第二胎

第二個問題:家務分工會影響生育態度嗎?當先生攬下越多家務,太太們會不會有更高的生育意願?

答案很有趣。整體來說,當丈夫家務總時數增加,妻子的生育意願也會增加,但進一步分析,還有三個影響關鍵。

首先,如果區分丈夫做了哪類家務,結果則不一樣。若丈夫是勤快地「做家事」,並不會影響妻子的生育意願;但如果丈夫分攤更多「照顧子女」的工作,妻子的生育意願會明顯增加。顯然對媽媽來說,比起多洗一次碗、多摺兩件衣服,爸爸能在孩子大哭大鬧時陪玩安撫、換尿布哄睡,更稱得上是神隊友。

此外,這個影響主要發生在「一寶媽」,讓她們更有意願生第二胎;對於有兩個以上寶寶的女性,影響不大。原因可能是,經歷過一次「育兒地獄」,媽媽們便能看清隊友的「屬性」,若先生沒有放自己單打獨鬥,新手媽媽自然比較願意迎接第二個寶寶;而二寶或三寶媽要再生下一胎,必須付出更高成本、考量更多面向,因此家務分工較難產生實質作用。

除了家務分工內容、胎次,第三個影響因素則是妻子的社經背景。只有在高教育程度妻子身上,丈夫投入更多家務育兒,才會明顯提高生育意願。

總的來說,研究成果顯示:

更平等的家務分工,特別是分攤育兒工作,能提升高教育女性生第二胎的意願。

數據也顯示,所謂「更平等的家務分工」並不是嚴格的 1:1。實際上,只要先生負擔超過 20% 的育兒責任,就能提高妻子的生育意願。換句話說,公平只是一種感覺,媽媽期待的不一定是全能爸爸,而是隊友實際表現出願意共同承擔照顧壓力,就能讓妻子備感支持。

臺灣的調查呼應了日本、歐洲國家的研究,當伴侶更有性別平等意識、家庭分工較平等,特別是,如果丈夫一起投入照顧孩子,能讓媽媽的育兒經驗不那麼厭世孤單,支持她再重新經歷一次懷孕、生產、帶孩子的甘苦。圖/iStock

第二輪班,東亞女性的共同壓力

鄭雁馨談到,女性承擔高比例家務是臺灣「跨世代的共同現象」。熟齡世代高達八、九成,青壯世代女性也依然負擔七、八成的家務勞動。

「減少的那一兩成,也不一定是先生做更多,可能是自動化幫了忙。」鄭雁馨犀利道出痛點。從掃地機器人、洗碗機常見的廣告語「解放媽媽雙手」、「讓媽媽不再腰痠背痛」,家務商品預設出的消費者形象,也恰恰說明了家務一把罩,仍然是社會對女性的普遍想像。

不只在臺灣。「育兒家事=太太媽媽」,這個如影隨形的標籤,普遍存在於東亞國家。

攤開數據,1990 年代中期,日本婦女每週家務勞動時數是丈夫的 13 倍;韓國為 4 倍,而且經過 20 年,「歐巴們」沒有太大改變,2019 年的研究顯示(Kim & Cheung, 2019)當家裡迎來新生兒,並不會影響韓國爸爸投入家務的時間。對照電影中金智英的無奈心聲:「醫生反問我,飯是電子鍋煮的,衣服是洗衣機洗的,為什麼我的手腕會痛?」婦女承擔「第二輪班」的壓力,仍未完全被看見和同理。

過去,男人出外打天下,女人的戰場是「家庭」,打掃煮飯、照顧老小、專心一打多。如今,許多女性同樣在職場發光發熱,但經歷生產和育嬰關卡時,她們需要付出更大的代價。除了承受懷孕的巨大身心變化,還可能影響升遷、中斷年資,甚至被不友善的職場隱性「驅逐出場」。

這也是為何研究反映出,蠟燭兩頭燒的高社經女性,更容易因為家務分工而影響生育意願。

「家務分工的均衡,影響最大的通常是高社經女性。」鄭雁馨分析:「她們可能有很好的職場表現,正在追求自己的事業和成就感,一旦生產、育兒,勢必要面臨職涯和婚育的衝突。當職場和家庭讓人身心俱疲,又發現丈夫不可能調整工作和作息,總是媽媽要犧牲,越來越多女性遲疑,或者生一個後就此打住。」

東亞各國相比,日韓女性都負擔超過八成的家務,臺灣也有近八成。香港超過六成五,中國超過七成。資料來源/鄭雁馨

停滯的性別革命:生育不只是女人的事!

臺灣生育率節節下滑,一谷還有一谷低,青年低薪、高房價、公托不足都可能是影響因素。但這項實證研究也反映出,

跟不上時代腳步的性別文化,更讓不少蠟燭兩頭燒的女性成為「厭世媽咪」,不願輕易再談媽媽經。

「為什麼北歐國家的生育率能回升?很大原因是,他們完成了兩階段的性別革命。」

鄭雁馨解釋,家務分工與生育率的持續走低息息相關,西方人口學家稱之為「停滯的性別革命」──大量女性活躍在公領域中,但男性在私領域的性別角色仍然停滯不前。這也是東亞文化圈面臨的共同問題,包括臺灣、香港、日本、南韓和中國。

舉例來說,請育嬰假、獨自推嬰兒車散步、上街買菜,是街頭常見的北歐爸爸群像。然而,當育嬰假政策來到東亞,2017 年臺灣、日本、韓國的爸爸使用率全都低於 10%。 「如果文化價值、社會環境沒有跟著改變,立意良善且進步的政策反而強化了性別分工。」鄭雁馨提醒。

回看電影,當金智英滿臉疲憊而怨懟的這麼說:「可以不要再說『幫』我了嗎?幫我做家事、幫我帶小孩、幫我找工作,這難道不是你的家、你的事、你的孩子嗎?」這或許也是大螢幕外許多「偽單親媽媽」的真實吶喊。

透過實證研究再次顯示:生育不只是女人的事,家務分工也絕非是夫妻的家內風景。若我們希望力挽狂瀾、翻轉生育率,便不應該忽視公私領域的性別結構。

 

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook