發信人: "ㄚ呆蘇" <junewei9@bbs.openfind.com.tw>, 看板: astronomy
標  題: Re: 請問一下....現在人們對黑洞到底了解到什麼?…
發信站: OpenFind 網路論壇 (Sun Jan 12 01:34:40 2003)
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以下是中央大學孫維新教授某日在漢聲電台的講話整理稿

今天要說的是關於黑洞的問題，總共有兩個主題，都是大約11月中旬在NASA網站上最新公佈的資料，第一個是在銀河系裡有一個對著地球高速撞過來的黑洞，第二個是天文學家發現同時在一個星系裡有兩個巨大而互相環繞黑洞的存在，在不久的將來它們兩個將會成為一個超級大黑洞，這將對附近的時空造成很大的影響。

【黑洞的意義】黑洞其實本身也是一種天體演化的過程，所以我們常常把黑洞賦予一些神秘的色彩，或甚至有一些占星學家及宗教界人士把黑洞當成他們的術語那就不太妥當了！黑洞本身在某種尺度上就像我們看到的恆星，一個恆星演化到了末期會逐漸變大變紅，形成所謂的紅巨星（red giant），當它有足夠的質量時會產生所謂的超新星爆炸，它會用很炫爛的方式來終結他的一生，可能在它的中央會發生擠壓，就可能形成所謂的中子星或是黑洞。（詳見，牛頓現代科技大百科，宇宙科學（II）--大宇宙，頁33-40）

以太陽為例，假如說太陽發生爆炸，在不損失任何質量的狀況下，擠壓到大約十幾二十幾公里（原來是140萬公里）他就變成一個中子星，但如果他壓縮到三公里大小的話，他就變成一個黑洞。

【補充：老師在這裡說的「大約」不是他隨口說說的，這是經由天文學家精密計算後的結果，叫做「史瓦茲契爾德半徑」。以地球為例，地球的史瓦茲契爾德半徑是9毫米。詳見，前書，頁57-60】

黑洞質量非常高，重力場非常強，連光都跑不掉。黑洞其實並不是宇宙時空中破一個洞，東西都往裡面掉，其實它是一個密度極高的天體，不論是x射線、紅外線等，經過或從旁邊通過，都無法逃過它的吸引，黑洞無法反射光線，本身的光線也出不來。

【黑洞本身是一個球嗎？】基本上，天文學家都把它當作一個球，因為學物理的人沒有辦法去處理一個複雜形狀的東西。有人曾要求物理學家說，你能不能描述一隻雞的運動？物理學家說，好，不過讓我們先假設，這隻雞是一個圓！因為他沒辦法處理太複雜的系統。假如說，這個黑洞是一個圓，它會有一個勢力範圍，我們叫做「事件地平線」（event horizon）（詳見，前書頁57），這就是它的邊緣，事情發生在超過事件地平線之外，我們就看不見了！

【黑洞是怎麼被發現的】11月18日NASA送出的資料，哈伯太空望遠鏡觀察一個星體，從1995年到2001年，發覺它是一個「雙星」（詳見前書，頁41-48），這個雙星在我們銀河裡面以很高的速度在銀河裡運行。我們這個銀河中所有的天體都在環繞，幾千億顆星都繞著銀河的中心很有秩序的在旋轉，可是這顆星的速度跟軌道偏偏跟人家不一樣，而且速度超過別人很多，它超過四周的星足足有四倍，以時速近40萬公里運行。經仔細研究後發現它是一個雙星，可是另外一個星體看不見，從他環繞的週期很短、速度很快，推算出這一個天體的質量和密度需要是一個黑洞。

一般來說，雙星或多星系統在宇宙中算是多數，像太陽這樣只有一個恆星的倒是少數，50﹪以上不論是在銀河或在其他星系，多是雙星或多星，因為形成的過程常是由於一團雲氣，因此可能會形成不只一個的星星。一般的雙星從望遠鏡上看的到，通常距離不遠，而且彼此環繞。

一般觀察的比較有趣的雙星系統多半是白矮星（white dwarfs）、中子星或是黑洞。白矮星是像太陽的晚年，他不會經過超新星爆炸，這個星星其實很小，如果我們把太陽的外殼剝去，剝到跟地球差不多大小，這就是白矮星。我們的太陽到了晚年外層大氣會逐漸膨脹，溫度降低、顏色變紅，變大之後會吞掉水星、金星、地球和火星，大到後來太陽本身無法維繫整個大氣，它就逐漸飄散了，飄散之後太陽原本的核心就裸露在外，它是一個溫度很高的藍白色的很亮很亮的東西，就是白矮星。中子星就是爆炸之後經過壓縮，壓縮到一定程度之後，裡面的質子和電子都不見了，變成中子，沒有其他的電子跟質子。當爆炸程度更劇烈就會形成黑洞。
發現黑洞的主要過程就是找雙星，在找雙星的時候看到一個可是看不到另外一個，當發現一個星繞的速度很快，軌道又很小，就會知道另一個天體質量一定要很大，依照克卜勒定律就可以推算出另一個看不見的天體應該是黑洞。當發現有一個恆星在天上不斷的打轉，擺盪的幅度很大，但又看不見另一個天體，可以依照克卜勒定律算出其質量。現在科學家就是發現在銀河裡有一個恆星像地球衝過來，而這個恆星的旁邊就是一黑洞，時速40萬公里像地球衝過來，只要靠近黑洞，就會被吸進去。我們大概沒有辦法活過那個被吸進去的過程，因為我們以前有講過潮汐力，黑洞有很強大的潮汐力（詳見，前書頁58），潮汐力就是一種撕扯的力量，如果人掉進去的話，人就會先被拉成一跟麵條，所以不可能跨越地平線而不被扯裂的，我們就會被扯裂之後變成黑洞的一部份。

它基本上是朝著我們這個方向過來，但是距離我們大約還有6000到9000光年，（老師經過一段自言自語的計算後，他說這叫「數量級的估計」，基本上就是用10當作單位來作粗略的計算）大約是1億年左右才會到地球旁邊。

這個黑洞跟他旁邊的伴星（陪伴在旁邊的星）環繞的週期只有2.6天，由此可以想像它們兩個到底有多近！因為即使是地球跟太陽，我們繞著太陽轉，轉一圈也要365天，兩顆恆星互相環繞只要2.6天，可見這個黑洞的質量非常大，重力場也很大，才能把它的伴星拉的這麼近，而且叫它跑的這麼快，因為通常繞的這麼快的話非常容易被甩掉，假如重力場不夠的話，所以證明它應是一個黑洞。

但是它們繞銀河的速度為什麼也這麼快？現在科學家提出一個解釋，認為它在爆炸的時候應該是在旁邊發生爆炸（偏星的超新星爆炸），而非在星體的正中央，不但核心被擠壓成黑洞，同時也形成了高速，但為什麼連旁邊的恆星也可以帶著一塊兒跑？也是一個問題。（老師說等他弄懂了再跟大家報告）會不會還有一些黑洞，但是它根本不會帶著旁邊的恆星一塊兒跑？也是不無可能，但這樣天文學家根本無從得知黑洞到底存在在哪裡，說不定黑洞真的在銀河裡面亂竄，只是我們都不知道！真是越講越可怕，經濟都不景氣了，還要擔心哪天會不會被黑洞撞！（……老師開始感慨…要珍惜當下之類的話！開始跟主持人聊了起來）

其實我們對黑洞的了解在幾十年前就開始發展了，剛開始的了解大多透過尋找雙星系統，後來發現在星系的中央也發現了巨大的黑洞，雙星系統中的黑洞的質量可能是幾個太陽的質量，星系中央的黑洞可能是幾億個太陽的質量，差別很大，因此科學家就產生合理的懷疑，有沒有中型的黑洞？結果前幾個月找到了，是在星系裡面有一些球狀星團，在這些星團裡面有找到幾百個太陽質量的黑洞，到此總算感覺到齊了。

再來我們看到這個新聞，【星系宇宙的大發現】，美國航太總署把它當成大新聞，甚至還翻譯成中文，他說，美國航太總署發現兩超大黑洞同時存在在一個星系裡面。通常我們看到的黑洞是一個星系裡有一個黑洞，在他正中央在吞吃物質，這個兩個黑洞是在星系的正中央附近但它倆彼此環繞，距離還蠻遠的，還隔了幾千光年。目前我們的猜測是這兩個黑洞分別來自兩個星系，撞在一起形成了這個新的星系，在融合的過程中它們兩個黑洞還沒有碰在一起，假如說它們兩個碰在一起就會發生巨大的爆炸，不過在不久的將來，它們兩個還是逃脫不了碰在一起的命運，彼此環繞然後越來越近，到最後撞在一起，產生爆炸，然後融合在一起形成一個更大的黑洞。

按照NASA的新聞稿中指出，它們會合併成為一個超級黑洞，合併的過程當中會釋放強大的重力波，這個重力波在宇宙中擴散，將造成宇宙時空的漣漪！這會造成旁邊時空的扭曲。

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