Astronomy Photos ByAcian

2013年4月10日

萬物終結者之謎—黑洞

By 井口的一隻小歪

  在香港城市裡頭,抬頭仰望夜空,看得見的星星扳扳手指頭就數得完,說真,只是「齋」看實在是沒有甚麼趣味。無邊無際的天空正正是代表了自由,正如一隻井中的青蛙,牠未必有足夠力量跳出井口,未必能夠清楚井外的世界,但至少若牠能夠在腦海中恣意地想像井口,牠絕不會苦悶。這道理也正正和我想說的一樣。而這次我要說的,正是所有人到現刻也看不見的東西-黑洞。

  黑洞……就是黑色的大洞嗎?人們總覺得她的名字很吸引。聽說黑洞的重力很強,一旦被吸了進去就再也不能回來。這是真的嗎? 要了解之前,不如先先看看不同的黑洞照片。

(National Geographic)




形成黑洞的選拔賽
究竟天體要成為黑洞要有甚麼條件呢?除了在宇宙一開始就存在的黑洞以外,其實天體要通過一個「黑洞選拔賽」,其條件就是質量要大約有太陽的25倍或以上。也就是說,在這場黑洞的選拔賽上,及格與不及格,幾乎是從一出生起就注定好了。為甚麼說是「幾乎」呢?其實在一次審核之後,還有一個復活賽。當質量僅差一點就能達到大約太陽質量的25倍時,若附近還有其他恆星,又能從對方那裡吸收氣體,又達到足以成為黑洞的應有質量時,就能成為黑洞。宇宙當中存在許多2至3個星星一組、互相繞著對方公轉的「聯星」。正因如此,只差臨門一腳的時候,便可以奪取鄰近星星的力量。

圖1: 質量達太陽 10 倍的黑洞之電腦模擬圖
從恆星成為黑洞

那麼接下來,我們來看看恆星是怎樣進化成黑洞吧。

恆星不可能自出生就永遠地綻放光芒。即使是星星,也有所謂的壽命。

另外,恆星不可能一生都維持同一個模樣,星星也會變老的。質量愈小的恆星愈長壽,質量愈大的恆星,老化的速度則愈快。這是由於大質量恆星的核心較熱和密度較高,它們燃燒氫氣的速度更高,所以生命反而較短。這是因為黑洞,正是較重恆星的壽命到達盡頭的時候最終的模樣。在黑洞選拔大賽的勝利者,起初也和太陽一樣,因核聚變而綻放出耀眼的光芒。但是時間久了,便會耗盡反應的物質。

當中心物質因核聚變而變成鐵後, 由於繼續燃燒鐵的核反應需要吸收能量才能運行 ,所以恆星核心產生能量的能力就會馬上停止,核心的壓力驟降。當核心積聚了足夠的鐵後﹐在百分一秒之內, 核心會猛烈地收縮,同時把核心的溫度提高。所有尚未使用的燃料會迅速核聚變成鐵或變成鎳,核心的外殼會塌縮在核心上,形成既小又密度高的核心。外側則由既冷又輕的氫氣體包圍,演變成雙層結構的天體。由其核心會不斷收縮,原子核的天然密度會成為巨大的阻力,防止核心進一步收縮,這時核心便會猛烈反彈,產生強烈的衝擊波,並把恆星外殼炸毀。這就是「超新星爆炸」。

超新星爆炸之後,其中心已經變成黑洞了,爆炸後所剩下的質量太陽只有太陽的三倍。

一但成為了黑洞,就再也不能回復以往的模樣,也再沒有下一個階段。這就是太陽質量25倍以上恆星最後的姿態。
圖2: 可以看見星星的一生
source: http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/EducationResource/Universe/framed_c/lecture.html 
HK Space museum 

就連宇宙最快的「光」也逃不掉

只要進入黑洞所在的一定範圍以內,所有物質都會被它的重力所補獲,再也回不來。一旦進入這個範圍,無論是多麼快的事物,都無法再次逃出黑洞,除非有東西能夠超越光速,否則即使是全字宙最快的「光」,有高達3x108 m/s的速度,也逃不掉黑洞的引力。

由於光無法離開黑洞,所以我們也無法直接觀察黑洞本身。也是因為如此,美國物理學家(John Archibald Wheeler, 1911-2008)才命其為 “black hole” ,中文直譯為「黑洞」。
圖3: 黑洞的引力 
Source: http://www.welchco.com/02/14/01/60/04/03/1207.HTM
黑洞的城牆在何處?

黑洞的城牆其實就是事件穹界,事件穹界的意思便是事件在內不能為人所探知。在事件穹界之內的一切皆不能逃離,所以在這個城牆以內發生的一切,將永遠不能為人所知,事件穹界的半徑稱為史瓦西半徑(rs) ,數值的大小只取決於黑洞的質量。



G是萬有引力常數,c是光速,M為質量。



圖4: 史瓦西半俓 
Source: http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/EducationResource/Universe/framed_c/lecture.html 
HK Space museum
一般而言,是將史瓦西半俓直至內部的範圍定義為黑洞,而位在史瓦西半俓中心,便是所有質量皆壓縮成一點的地方,也就是「奇點」(Singularity)。
圖5: 奇點所在之處http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/EducationResource/Universe/framed_c/lecture.html 
HK Space museum
奇點十分不可思議,因為它聚集了黑洞所有質量。很多人以為奇點是一個半徑等於零、但密度無限大的地方。其實,比較正確的說法是我們根本不知道那裡是甚麼一回事,因為我們所知的一切物理定律根本不適用於情況如此極端的地方。
圖6:只要進入了這個半俓的範圍內,無論是誰也沒法走出來的。廣義相對論的中心思想是質量會扭曲其附近的時空,質量越大,影響越明顯。同樣道理,光線在通過大質量物質附近時,亦不會以直線運行。
source: astronomy.swin.edu.au
身體會否會變成麪條?

有很多人會說「只要我們進入了黑洞的範圍,就會變成麪條」,事實上是否這樣呢?

我們會從黑洞邊界接收到一股潮汐力。潮汐力是萬有引力的效果,它使得潮汐發生。它源於一個星體的直徑上各點的引力場的不相等。就例如地球上所發生的潮汐現象,就是因為這股力量。而這股力量是月球的引力影響了地球所產生的。
圖7: 潮汐力的影響 
Source: http://163.20.160.24/~star/modules/myalbum/photo.php?lid=1205
即是當人類先踏出腳尖接近黑洞,但頭部還在外側時,因施加在身體頂端「頭部」和尾端「腳尖」的重力不同,便會受到潮汐力的影響。當施加在頭部和腳尖的重力相差過大時,人類的身體就會被拉得細長。

但若果我們是身處在星系中心的超巨大黑洞時,所接收到的潮汐力(如銀河系)只有0.016 m/s2.

若果是一個小型黑洞(質量很小),其潮汐力是非常巨大的。頭部和腳尖的重力加速度相差約160萬m/s2。 亦即是約地球加速度的16萬倍。那就像你站在地面上被2000架飛船拉扯。

但即使在這個情況下,只要我們的身高愈矮,我們所接收到的潮汐力就會愈小。

在以上的相同條件下,體長只有1mm的跳蚤從恆星黑洞接收到的潮汐力,僅有105地球引力左右。換言之,接收到潮汐力的物質長度愈大,所承受的潮汐力也就愈大。因此月球對整個地球的引力影響,對於地球來說便會有「潮漲潮退」的明顯現象,但我們人在地球卻不會被拉長。

要了解黑洞真正面目,仍然有很多事物需要我們去探討。有機會的話我可以帶你去遊覽黑洞-沒有回程的旅行,你敢來嗎?請繼續留意ASTRO blog的更新。下期將會介紹另一黑-黑暗物質。

Sources:
Nature of universe, Physics Department, HKU(http://www.physics.hku.hk/~nature/notes/index.html)
Black Hole Physics: Basic Concepts and New Developments
Springer by V. Frolov (Author), I. Novikov (Author)
Photo Gallery, National Geographic
(http://science.nationalgeographic.com/science/photos/black-holes-gallery/

Author: Wayne Chan (CY)

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