怎 樣 探 索 黑 洞 ？

calvin

提 起 黑 洞 ， 大 家 或 許 會 想 起 「 蟲 洞 」 、 「 時 光 隧 道 」 等 帶 有 濃 厚 科 幻 色 彩 的 概 念 。 在 科 幻 小 說 和 電 影 中 ， 太 空 船 可 能 以 黑 洞 為 入 口 ， 並 通 過 「 蟲 洞 」 穿 越 時 空 ， 然 後 在 另 一 個 宇 宙 的 空 間 走 出 來 。 然 而 ， 現 代 大 部 份 天 文 學 家 對 於 這 些 時 空 穿 梭 的 概 念 並 沒 有 多 大 的 興 趣 ， 原 因 是 他 們 在 宇 宙 中 既 找 不 到 形 成 「 蟲 洞 」 的 機 制 ， 也 沒 有 任 何 方 法 可 以 透 過 天 文 觀 測 驗 證 「 蟲 洞 」 的 存 在 。 而 且 ， 現 代 的 一 些 理 論 研 究 也 表 明 ， 「 蟲 洞 」 即 使 存 在 ， 也 是 非 常 不 穩 定 的 ， 即 使 極 少 的 物 質 經 過 ， 也 會 使 它 立 刻 塌 縮 。 所 以 到 目 前 為 止 ， 利 用 黑 洞 時 空 穿 梭 等 概 念 只 可 以 被 視 為 科 幻 作 品 的 題 材 ， 而 不 屬 於 認 真 科 學 研 究 的 範 疇 。

除 去 了 一 些 無 法 驗 證 的 猜 想 ， 近 年 來 天 文 學 家 對 黑 洞 的 研 究 興 趣 卻 有 增 無 減 。 是 甚 麼 新 發 現 促 使 天 文 學 家 努 力 不 懈 地 鑽 研 有 關 黑 洞 的 一 切 ？ 研 究 黑 洞 對 了 解 宇 宙 的 演 化 又 有 甚 麼 幫 助 ？

早 在 十 八 世 紀 ， 拉 普 拉 斯 等 人 已 經 提 出 了 密 度 極 高 的 天 體 可 能 會 使 附 近 的 光 線 不 能 逃 離 的 構 想 。 愛 因 斯 坦 在 二 十 世 紀 初 發 表 了 廣 義 相 對 論 後 不 久 ， 史 瓦 西 便 利 用 廣 義 相 對 論 方 程 求 得 一 個 描 述 球 對 稱 天 體 附 近 時 空 結 構 的 解 ， 為 黑 洞 的 研 究 展 開 了 序 幕 。 後 來 奧 本 海 默 等 人 透 過 計 算 ， 證 明 大 質 量 星 體 在 重 力 塌 縮 下 的 確 可 以 形 成 黑 洞 。 不 過 ， 天 文 學 家 到 了 七 十 年 代 ， 才 開 始 有 系 統 地 透 過 觀 測 ， 在 雙 星 系 統 中 尋 找 黑 洞 存 在 的 證 據 。 到 了 二 十 世 紀 末 ， 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 升 空 ， 大 量 的 觀 測 證 據 湧 現 ， 不 但 使 我 們 更 加 確 信 黑 洞 的 存 在 ， 而 最 令 人 驚 奇 的 是 ， 黑 洞 的 存 在 形 式 和 產 生 機 制 ， 遠 比 我 們 想 像 中 的 多 和 複 雜 。 不 同 類 型 的 黑 洞 ， 其 大 小 竟 然 可 以 由 幾 個 太 陽 質 量 至 幾 十 億 個 太 陽 質 量 不 等 ！ 更 重 要 的 是 ， 這 些 不 同 類 型 的 黑 洞 的 存 在 和 與 它 們 相 關 的 天 文 現 象 ， 往 往 為 人 類 了 解 恆 星 、 星 系 以 至 整 個 宇 宙 的 演 化 ， 帶 來 了 深 遠 的 啟 示 。

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人 們 最 早 透 過 觀 測 雙 星 系 統 尋 找 黑 洞 存 在 的 證 據 。 如 果 發 現 一 顆 恆 星 與 一 顆 黑 暗 的 天 體 互 相 繞 著 對 方 旋 轉 ， 而 從 光 譜 分 析 軌 道 ， 發 現 黑 暗 天 體 的 質 量 大 於 太 陽 的 3.5 倍 ， 那 麼 這 個 黑 暗 天 體 便 很 有 可 能 是 一 個 黑 洞 。 我 們 以 質 量 大 於 太 陽 的 3.5 倍 作 為 判 別 黑 洞 的 標 準 ， 是 因 為 從 理 論 上 得 知 ， 其 他 致 密 天 體（ 如 中 子 星 ）的 質 量 都 不 可 能 超 越 這 個 上 限 ， 否 則 它 們 便 會 因 為 本 身 的 重 力 而 塌 縮 成 黑 洞 。 不 過 ， 從 光 譜 分 析 以 決 定 黑 暗 的 伴 星 的 質 量 並 不 是 一 項 容 易 的 觀 測 工 作 。 過 去 天 文 學 家 往 往 因 為 無 法 準 確 量 度 可 見 恆 星 的 光 度 和 軌 道 傾 斜 度 等 因 素 而 錯 誤 地 估 計 了 黑 暗 天 體 的 質 量 。 另 一 個 重 要 的 觀 測 對 象 是 致 密 天 體 因 為 吸 食 伴 星 物 質 而 形 成 的 吸 積 盤 。 對 於 中 子 星 和 黑 洞 來 說 ， 龐 大 的 重 力 使 吸 積 盤 內 物 質 的 溫 度 大 幅 上 升 ， 發 出 能 量 很 高 的 X 射 線 。 觀 測 星 空 中 的 X 射 線 源 成 為 尋 找 雙 星 系 統 中 的 中 子 星 或 黑 洞 的 最 重 要 方 法 。

近 年 天 文 學 家 利 用 觀 測 X 射 線 的 衛 星 ， 對 於 分 辨 中 子 星 和 黑 洞 取 得 很 大 的 進 展 。 中 子 星 和 黑 洞 的 重 要 不 同 之 處 ， 是 中 子 星 有 一 個 固 體 表 面 ， 而 黑 洞 則 沒 有 。 研 究 發 現 ， 在 雙 星 系 統 中 ， 伴 星 的 物 質 掉 落 中 子 星 的 表 面 時 會 釋 放 巨 大 能 量 ， 而 物 質 掉 落 黑 洞 時 ， 則 會 與 它 所 擁 有 能 量 一 同 消 失 於 視 界 之 中 ； 因 此 含 有 中 子 星 的 雙 星 系 統 所 發 出 的 X 射 線 強 度 總 是 較 高 ， 而 光 譜 也 有 不 同 的 特 徵 。 事 實 上 ， 黑 洞 在 吸 積 物 質 過 程 中 所 吞 噬 的 能 量 ， 可 能 較 過 程 中 所 輻 射 的 能 量 高 出 百 倍 。 天 文 學 家 已 經 幾 乎 可 以 肯 定 很 多 X 射 線 雙 星 所 包 含 的 黑 暗 天 體 是 黑 洞 而 非 中 子 星 ， 其 中 最 著 名 的 例 子 包 括 天 鵝 座 V404 等 。

長 久 以 來 ， 黑 洞 的 視 界 及 種 種 與 之 相 關 的 奇 怪 現 象 都 只 是 一 些 理 論 性 的 推 論 。 但 近 年 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 的 觀 測 竟 然 為 黑 洞 視 界 的 存 在 提 供 了 一 些 有 力 的 證 據 。 研 究 人 員 分 析 了 極 大 量 來 自 致 密 天 體 天 鵝 座 XR-1 的 紫 外 線 輻 射 ， 發 現 其 中 兩 組 數 據 顯 示 ， 輻 射 脈 衝 的 週 期 隨 時 間 縮 短 ， 而 其 強 度 則 隨 時 間 衰 減 至 消 失 ， 這 現 象 與 一 些 物 質 在 接 近 黑 洞 視 界 時 繞 著 黑 洞 急 促 旋 轉 ， 放 出 的 輻 射 因 為 重 力 紅 移 而 衰 減 的 情 況 相 符 。 雖 然 目 前 的 觀 測 技 術 尚 未 允 許 我 們 直 接 看 到 黑 洞 的 視 界 ， 所 以 有 關 黑 洞 產 生 的 重 力 紅 移 或 者 類 似 的 觀 測 結 果 都 不 是 決 定 性 的 ， 但 這 些 結 果 無 疑 會 成 為 連 繫 黑 洞 理 論 和 實 際 觀 測 的 重 要 橋 樑 。

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甚 麼 是 黑 洞 ？

黑 洞 是 一 個 時 空 的 黑 暗 區 ， 由 一 些 質 量 頗 大 的 星 體 經 重 力 塌 縮 後 所 剩 餘 的 東 西 。 它 的 基 本 特 徵 是 有 一 個 封 閉 的 視 界 。 這 視 界 就 是 黑 洞 的 邊 界 ， 一 切 外 來 的 物 質 和 輻 射 可 以 進 入 這 視 界 以 內 ， 但 視 界 內 任 何 物 質 都 不 能 從 裡 面 跑 來 。



黑 洞 是 怎 樣 出 現 ？

當 一 顆 質 量 相 當 大 的 星 體 的 核 能 耗 盡 後 ， 沒 有 輻 射 壓 力 去 抵 抗 重 力 ， 平 衡 態 不 再 存 在 ， 這 星 體 將 全 面 塌 縮 ， 成 為 中 子 星 。 若 其 質 量 仍 大 於 三 個 太 陽 質 量 時 ， 那 麼 連 中 子 簡 併 氣 體 壓 力 也 不 能 平 衡 重 力 ， 星 體 將 斷 續 塌 縮 至 它 的 重 力 半 徑 (rg) 範 圍 之 內 。 這 時 ， 引 力 之 大 足 以 使 一 切 粒 子 ， 包 括 光 子 ， 都 被 引 回 星 體 本 身 ， 不 能 外 逸 。 這 就 形 成 黑 洞 。

註 ： 重 力 半 徑 又 稱 史 瓦 半 徑 ， 它 只 與 體 的 質 量 成 正 比 。



黑 洞 的 參 數

要 了 解 一 顆 星 體 ， 我 們 需 要 很 多 參 數 ， 但 當 它 塌 縮 成 為 一 個 黑 洞 ， 任 何 物 質 都 不 能 逃 離 它 ， 因 此 我 們 是 無 法 觀 測 到 任 何 有 關 它 的 信 息 。 根 據 研 究 ， 只 有 三 個 基 本 參 數 ， 質 量 、 電 苛 和 旋 轉 ， 我 們 才 能 在 遠 距 離 探 測 到 ， 這 就 是「 黑 洞 沒 有 毛 髮 」的 定 理 。

理 論 上 ， 黑 洞 可 按 積 分 成 小 、 中 和 大 三 類 ， 已 有 好 些 証 據 顯 示 ， 中 型 黑 洞 是 大 星 體 在 其 生 命 終 結 時 ， 星 體 內 陷 和 坍 塌 後 所 留 下 的 遺 骸 ， 而 大 型 黑 洞 則 存 在 於 很 多 星 系 中 ， 可 能 包 括 我 們 身 處 的 星 系 。



黑 洞 的 界 限

當 一 個 黑 洞 形 成 後 ， 所 有 物 質 都 會 向 中 心 場 縮 成 高 一 個 非 常 細 小 的 質 點 ， 稱 為 奇 點 ， 黑 洞 的 表 面 層 稱 為「 事 件 穹 界 」。 而 這 表 面 層 和 中 心 奇 點 的 距 離 就 是 史 瓦 半 徑 。 任 何 物 質 要 從 黑 洞 的 史 瓦 半 徑 跑 到 外 面 去 ， 它 的 逃 離 速 度 便 要 大 於 光 速 。 但 根 據 狹 義 相 對 論 ， 光 速 是 速 度 的 極 限 ， 因 此 ， 一 切 物 質 到 了 事 件 穹 界 便 扯 向 中 心 的 奇 點 ， 永 不 能 逃 出 來 。

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怎 樣 探 索 黑 洞 ？

由 於 黑 洞 不 能 發 出 光 線 ， 體 積 又 非 常 細 小 ， 所 以 是 不 可 能 用 天 文 望 遠 鏡 規 測 得 到 的 。 但 根 據 理 論 ， 如 果 一 對 雙 星 中 的 伴 星 是 黑 洞 ， 那 麼 主 星 的 物 質 被 吸 引 向 黑 洞 而 形 成 一 個 吸 積 環 。 由 於 吸 積 環 的 物 質 互 相 摩 刷 而 引 起 高 溫 ， 因 而 輻 射 X 光 線 。 於 是 黑 洞 搜 索 者 就 將 重 點 於 X 射 線 密 近 雙 星 上 。

1962 年 ， 人 們 探 測 所 得 ， 位 於 天 鵝 座 鵝 頸 內 有 一 股 X 射 線 ， 並 將 該 源 命 名 為 是 非 常 有 可 能 是 一 黑 洞 。 天 鵝 座 X-1 是 一 X 射 線 源 ， 它 的 一 顆 子 星 是 超 藍 巨 星 ， 那 可 能 是 黑 洞 而 看 不 見 的 子 星 質 量 。

怎 樣 發 現 黑 洞 的 存 在 ？

於 1990 年 4 月 27 日 ， 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 的 啟 用 ， 為 人 類 探 索 太 空 夫 揭 開 了 新 的 一 頁 ， 雖 然 在 製 造 時 出 了 錯 誤 ， 使 影 像 大 打 折 扣 ， 可 是 仍 對 天 文 學 有 莫 大 的 貢 獻 。

近 來 人 類 對 一 直 只 是 存 在 於 理 論 範 疇 內 的 黑 洞 ， 已 透 過 哈 勃 太 空 望 遠 鏡 ， 有 了 進 一 步 的 証 據 。 於 仙 女 座 大 星 系 M31 附 近 的 M32 發 現 了 一 個 質 量 大 於 太 陽 三 百 萬 倍 的 黑 洞 。 M32 是 在 我 們 的 銀 河 系 附 近 ， 距 離 地 球 2.3 百 萬 光 年 的 星 系 。 它 是 人 類 所 知 密 度 最 高 的 星 系 ， 於 直 徑 只 有 一 千 光 年 的 範 圍 內 ( 我 們 的 銀 行 河 系 直 徑 約 十 萬 光 年 ) ， 包 含 了 四 百 萬 顆 星 ， 中 心 和 密 度 是 我 們 的 銀 河 系 100 個 一 百 萬 倍 左 右 。

假 設 你 生 活 於 M32 中 心 的 行 星 上 ， 你 會 見 到 一 個 密 佈 星 光 的 夜 光 ， 光 度 比 一 百 倍 滿 月 還 要 亮 。 科 學 家 是 由 星 星 於 該 星 系 的 活 動 ， 及 其 中 心 密 度 而 推 測 的 。 此 星 系 內 之 星 星 移 動 速 度 較 之 於 一 般 星 系 每 秒 快 了 100 公 里 。

對 於 此 發 現 ， 實 對 各 天 文 學 者 的 一 大 鼓 舞 ， 相 信 以 後 哈 勃 望 遠 鏡 ， 必 能 為 人 類 揭 開 更 多 太 空 的 神 秘 之 謎 。

drgood

好難想象！

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黑洞並非“什麼都吃”">

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黑洞吞噬恒星过程图－－太阳迟早也会被黑洞吃 ...">

8fong

cowlo

超級黑洞模式圖

天文學家宣布，在128億光年遠的類星體中，發現存在質量為太陽120億倍的極其古老超級黑洞SDSS J0100+2802。
該黑洞僅比宇宙年輕9億年，亮度是太陽的420兆倍。