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。
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| 圖1: 質量達太陽 10 倍的黑洞之電腦模擬圖 |
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。
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| 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」。
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| 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。
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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。
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| 圖7: 潮汐力的影響 Source: http://163.20.160.24/~star/modules/myalbum/photo.php?lid=1205 |
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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