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2017-05-08 [ASWEB]什麼是「黑洞」?

 
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  上一篇提到,目前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:

BHB

圖像版權:ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann

  既然光也不能逃脫出黑洞以外,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:

BH2

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,目前還不清楚原因是什麼,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,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。這些黑洞對它們所在的星系有著很大的影響,尤其當黑洞吞噬氣體和恆星的時候。

BH3

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。

原文參考:http://www.eso.org/public/usa/outreach/first-picture-of-a-black-hole/blog/?lang

本文轉載自中研院天聞網

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