什麼是"黑洞"?

原文參考:http://www.eso.org/public/usa/outreach/first-picture-of-a-black-hole/blog/?lang 上網時間:2017年4月11日

上一篇提到,天文學家正努力企圖為一個位在銀河系中心的超大質量黑洞拍下「第一張照片」。這不只是大膽嘗試,而且史無前例!不過,究竟什麼是黑洞呢?

黑洞算是宇宙中最特別又有魅力的天體。基本上,黑洞很違規,它是大量的物質被塞在極小空間中,因此,這樣的天體有很強的引力。環繞在黑洞外面的是如同黑洞邊界區的事件視界,任何東西到了這個邊界之後,就無法掙脫黑洞的箝制,而且連光也不例外。

請瀏覽這張簡易版的黑洞剖面圖:

圖像版權:ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann 中文版製圖:黃珞文/中研院天文所

既然光也不能從黑洞逃脫到外面,因此,我們沒辦法直接看得到黑洞。但是黑洞的強大重力影響,卻讓黑洞的藏身地點時不時就會被「曝光」。譬如,在黑洞周圍常有恆星和氣體等物質在彼此距離很近的軌道上運動,而且當它們越被拉近事件視界時,它們的運動軌道就越來越擠、表現也像著魔般越來越狂亂。結果就在黑洞四周形成了炙熱的吸積盤,在各種不同的波長頻段中都發出大量輻射。

觀察黑洞四周的輻射情形後,天文學家歸納出黑洞有兩種型態:恆星級質量黑洞和超大質量黑洞。

恆星級質量黑洞,是質量比太陽大30倍以上的恆星之殘骸。這種恆星在壽命終了時,物質會往中心不停的劇烈塌縮,直到該恆星所有的構成物質都壓縮到一塊小到沒辦法想像的空間。在X射線雙星系統中最容易發現恆星級質量黑洞,在這種雙星系統裡,黑洞毫不客氣地從伴星那邊吸食物質。 參考下圖:

插畫示意在雙星系統中形成的恆星級質量黑洞。Credit: ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

第二種黑洞是超大質量黑洞,它的質量甚至可以比一般恆星大了幾十億倍,到底它怎麼能長這麼大,原因是什麼,目前還不清楚,正在研究中。有一派理論認為,超大質量黑洞是起初星系在形成的時候,由巨大物質雲塌縮而形成;另一種理論認為,恆星級質量的黑洞互撞後,可以合併成龐大的天體。

目前已知幾乎每個星系中心都住著超大質量黑洞,我們的銀河系也不例外。這些星系中心的黑洞對它們所在的星系影響很大,尤其當黑洞吞噬氣體和恆星的時候。

插畫示意圖,描繪一個氣體雲在逼近銀河系中心黑洞之後的情景。同時圖中也用藍色線條代表一些環繞著黑洞的恆星之軌道,這些恆星軌道不只運動速度快、軌道與軌道之間距離也很靠近。Credit: ESO/MPE/Marc Schartmann

我們銀河系的超大質量黑洞有它的名稱,叫做人馬座A (常見英文縮寫為Sgr A*),距離地球26,000光年,位於高熱、活動劇烈的銀河系中心,質量為太陽的4百萬倍,估計直徑有2千萬公里以上,並以高速旋轉。由於這個超大質量黑洞被氣體和塵埃形成的緻密雲氣覆蓋了,所以可見光望遠鏡很難看到它。當然,從不同波長去觀察它是很重要的,要研究這個天體的性質,看較長波段的ALMA或波長較短的X射線望遠鏡,都是必備工具。

不久後我們即將可以藉ALMA與全球各地許多毫米波望遠鏡聯手觀測的結果,得知關於銀河系中心的種種。GMVA(全球毫米波特長基線干涉陣列)目前正在研究氣體、塵埃以及其他物質如何吸積而形成超大質量黑洞,以及從黑洞噴發而出的高速氣體噴流的成因。另一方面,別名「不歸路」的事件視界,則將由EHT 事件視界望遠鏡來幫它的陰影拍張照!

下一集中我們將介紹:為什麼許多人對黑洞的事件視界那麼有興趣呢?

改天見。

黃珞文譯

上網時間:2017/4/11

部分圖片圖說最後更新:2019/4/29