黑洞旅行團,出發!(中)--黑洞種類與結構

各位旅客好,在上一篇行前通知<黑洞旅行團,出發!(上)>文章中,我們介紹了本次旅行即將探訪的目的地:黑洞,它附近龐大的重力,會造成光線極度的扭曲,形成各種在地球上從未見過的獨特景象。現在就讓我們出發前往這趟旅程的目的地:CASE星系中心的超大質量黑洞。

撰文/劉詠鯤

「航行天數3915日:鄰近麒麟座 X-1黑洞。」

「各位沉睡許久的旅客,請活動活動筋骨,和我一同用X光望遠鏡,向外看去。在各位視線中有個非常明亮的光點,那裡便是距離地球最近的黑洞:麒麟座 X-1,距離地球約3000光年。由於它附近環繞物質的劇烈高速運動,彼此互相摩擦後形成極高溫的區域,而放出強烈的X光。」

「在廣大的宇宙中,分布著無數的黑洞,其質量分布差距非常大。從數十個太陽質量的恆星級黑洞,一直到數十億太陽質量的超大質量黑洞都存在。前者的體積小,數量也相對較多,在星系裡四處分布著;後者則是巨無霸,通常只會出現在星系的中心。」

「導遊!為什麼我們要將目的地設在數量十分稀少,且距離地球十分遙遠的超大質量黑洞呢?好不容易來到這個X-1黑洞,何不把我們的親近黑洞行程安排在這?」

「因為恆星級別的黑洞,它附近有非常狂暴的『潮汐力』,會撕碎任何意圖接近它的傢伙!」

●潮汐力是什麼?

黑洞是由非常龐大的質量壓縮在一個極小的區域所形成,舉例來說,要形成黑洞,要將太陽的質量壓縮在約台北市大安區大小的區域[1]。龐大的質量貢獻了極強的重力;十分緻密的分佈,則導致黑洞附近極大的重力變化。當我們站在地球上時,會感受到重力(地心引力)的作用;而且由於重力與距離平方成反比,我們距離地球越遠,受到的重力會越小。因此,準確來說,當我們站在地上,我們腳所受的重力其實會比頭所受到的力稍稍來的大,只是這個「稍稍」我們完全感覺不出來(如圖一)。但是在恆星級別黑洞附近則不是這麼回事,由於龐大的質量集中在很小的區域,在靠近該黑洞表面時,頭到腳這樣的距離就足以產生非常明顯的重力差距,大到可以將各種物體直接撕裂。這種力由於是因為某一物體兩端所受重力大小不同所造成,和潮汐的成因相似,因此又被稱為「潮汐力」。

圖一、潮汐力成因示意圖(未按比例繪製)。地球附近之重力場較為均勻,頭與腳所受的重力大小差距並不明顯。但在恆星級黑洞附近,頭與腳所受力有明顯差異,人會被拉長,因此也稱作「義大利麵效應」。

 

「航行天數20xxx日:目的地就在您的正前方」

「各位旅客午安,請大家往窗外看(圖二),外面明亮具有光環的天體,便是我們這趟旅程的目的地。」

 

圖二、具有自旋的黑洞附近景象模擬圖。來源:筆者電腦模擬

黑洞的特徵

「黑洞看起來都長得差不多,它們有什麼特徵嗎?」

「如同看到一隻可愛的狗,我們會依照牠的毛色、體型、五官等等特徵加以分類:這隻是黃金獵犬,那隻是邊境牧羊犬…。那黑洞該如何分類呢?黑洞其實是個單純的天體,儘管它吞噬、吸收了各式各樣的物質,但最後都只化成三種特徵:質量、角動量以及電荷,或是白話一點說,就是他吃了多少東西、轉得有多快、帶有多少電。這便是著名的『黑洞無毛定理』,描述黑洞就像個光禿禿的球,表面不帶有任何複雜的資訊,所有吞噬的物質,最終都轉化成這幾種特徵。不同種類的黑洞,由於其扭曲周圍時空的方式不一樣,因此會使得周遭景色出現差異。」

「黑洞外圍可以大致分為數個區域[2],請各位看向這張圖(圖三)。最靠近黑洞的地方有一圈被稱為「事件視界」的邊界,這個邊界是一個絕對的單向道,任何事物只要進入事件視界,便會被龐大的重力吸入黑洞中心,即使連光也無法逃離。因此,有時候事件視界也會被稱作是黑洞的表面。」

圖三、黑洞附近的結構示意圖。來源:筆者修改自ESO原圖。

 

「那黑洞裡面有什麼?」

「有趣的是,根據目前的物理理論,黑洞裡什麼都沒有,他所吸收的全部質量,全部都集中在正中心一個被稱為『奇異點』的地方。由於在極小的區域擁有極大的質量,現存的物理理論在那無法適用,是目前最前沿的物理研究感興趣的地方。如果要說那裡有什麼,我想肯定會有一群物理學家吧!」

「如果我們從事件視界往外走,會碰到『光子球層(Photon Sphere)』。當光靠近黑洞時,路徑會被曲折、彎向黑洞,在這個半徑上,重力大小恰好將光的軌跡彎曲成環狀,使得光就如同人造衛星環繞著地球一般前進。但這個軌道十分不穩定,任何擾動都可能使光落入黑洞或逃至外太空。有趣的是,若是各位前往此處(當然實際上無法,請別這麼做!),由於光線會繞著黑洞前進,因此你背後的光會繞黑洞一圈來到前方,也就是你可以直接看到自己的後腦勺!」

「若是我們再向外走,就會來到物質的最內穩定軌道,從此處向外,黑洞龐大的重力吸引著無數的物質環繞著黑洞運行,形成如同土星環般的盤狀構造,我們稱其為『吸積盤』。這裡各種物質以十分高速環繞黑洞運行,它們彼此之間的相互摩擦,會產生極高的溫度,而放出強烈的光…」

「感謝各位參與我們的黑洞旅行團,由於時間限制,今天的導覽行程就到此暫告一段落。我們這次從一個俯瞰的視角,了解黑洞附近的結構。下一個行程,我們則要想像自己化身為一道光,從遠處向著黑洞方向前進,看看最後會落入黑洞,陷入一片漆黑?或是順利逃離黑洞引力束縛,奔向附近絢爛的星系?甚至是恰到好處的進入光子球層,在黑洞附近不知疲憊的繞圈圈?這些不同的光線,組成了黑洞附近特殊的景象,也將是我們下一篇文章的重點:黑洞光線追蹤。有興趣的旅客,請盡速預約行程。」

 

[1]準確來說,是一個直徑相似的球體,而非一個平面。
[2]對此議題希望有更深入了解的讀者,可以觀看此YouTube影片:https://www.youtube.com/watch?v=zUyH3XhpLTo&ab_channel=Veritasium

 

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參考資料
[1]https://pansci.asia/archives/142164
[2]https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/黑洞是橙色的-淺談甚麼是黑洞-what-are-black-holes-18c51efdbf34
[3]Youtube : 如何理解黑洞的形象

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本系列文章:
黑洞旅行團,出發!(上)--彎曲的光與重力透鏡
黑洞旅行團,出發!(中)--黑洞種類與結構
黑洞旅行團,出發!(下)--黑洞光線追蹤

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