黑洞原理

【专家解说】：黑洞的形成 一个光亮的恒星为什麼会变成黑洞 答案是恒星衰老了.恒星的成份多为氢气,也就是让兴登堡号这样的飞船飘浮不坠的轻质物质.氢就是让恒星发光的燃料.每个恒星的内部都在进行核融合反应,有点像连续引爆氢弹那样,将氢气转化为能量:光与热.恒星在「燃烧」氢气时,必得面对一场拉锯战:一方面恒星内部的热压力会促使恒星扩张,就像把气球吹大那样:另一方面,恒星本身重力的拉扯力又促使恒星缩回来.因此恒星在发热时,这场拉锯战是陷於胶著状态的,恒星的大小也不会起变化.但一旦核反应停止,恒星就得对重力让步,因而整个崩溃下来,就像气球泄了气一样. 不过恒星年纪一大就开始变冷.由於没有了热能,这个老迈的庞然大物无法产生足够的内部压力以抵抗重力的收缩,因此开始崩溃并缩小.但恒星虽然在缩小,却没有损失任何物质;氢仍旧在,只是被极力压缩而已.这意味著恒星所有的质量都向中心趋进许多,也就是将重力集中於一个小地方.小型的恒星会缩小成所谓的「白矮星」,与地球大小相当,但已停止核融合的恒星.较大的恒星则在一抹耀眼的华光,所谓的「超新星」爆炸中自我毁灭殆尽,原来的质量几乎被轰得一点不剩. 但如果恒星的剩余质量够大(约达我们的太阳质量的一点四倍)那麼这些仅存的物质可能会变成黑洞.以下图为例,这个恒星被压缩到直径只有一英哩.此时表面上的重力强得连它自己的光都无法逃脱.那个天体还在原地,再也看不到它了.任何接近它的物体都会被吸进去,然后消逝在「黑洞」中. ←黑洞行成过程 黑洞和时间的关系 依照爱因斯坦的相对论,重力会使时间慢下来.因此当我们接近黑洞的时候,由於受到极强的重力效应,时间确实会缓慢下来,甚至有可能在我们接近到黑洞某个范围内,当经过一秒钟时,外界已过了100年. 若把时钟放在重力微弱的地方(例如地球)是很难(但仍可以办到)测出重力对时间的影响的.但若把时钟放在重力强大,如黑洞之处,则立刻可见到重力对时间产生的影响,至於影响之大小又依观察者位置之不同而有不同.对於掉入黑洞中的太空旅行者而言,重力增大会使他对事物的认知加快;他会觉得他被黑洞吸了进去,一下子就到了「底」.但对位於远方,不受黑洞影响的观察者而言,看到的情形与此恰好相反.在他们的眼中,那位不幸的太空人似乎动得很慢,而且好像越接近黑洞,就移动得越缓慢.原因是,根据相对论的预测,黑洞的强大重力会使时间延缓下来,所以那个太空人似乎永远都还没掉落到底.在最底下的地方 所有的质量和能量都被浓缩为极小的点 空间消失了,时间也停止了.黑洞内应用於外界的一切物理定律都宣告终止,因此我们无从得知黑洞里到底是何种光景. 有一位学家〈史瓦西〉算出一个范围,再范围之内的时间和各种物理现象都和外面不同,例如:时间较慢,重力较大.因为是史瓦西算出来的,所以称为史瓦西半径界面,又称事像地平面. 事像地平面指的是黑洞内时间与外界是完全不同的状态由於光被重力所牵引,在黑洞里的时间一分钟或许等於外界的数十年好比说你现在被吸入黑洞内,你在里面一分钟后就会被挤缩压毁可是或许在几秒后你看到了有其他人也被吸入黑洞内,但这其实是数十年后被吸入的... 黑洞的两极喷流 ↑1997年6月9日美国太空总署发布新闻指出,哈柏太空望远镜红外光广角镜头摄得NGC4151星系核心附近的一颗黑洞正进行烟火般的喷流景象(左上图).其他3张照片分别是利用紫外光(左下图),可见光(右图上下)所摄得,每张图的中央处正是黑洞的所在位置,而黑洞的喷流是以对称的方式呈现. 自从1911年爱因斯坦发表弯曲时空的「广义相对论」后不久,很多天文物理学者都相信在强大重力作用下会有黑洞的存在.因为一般初步的想法是类似地心引力 (重力)的作用,若在如此强大重力作用下,会不断地吞噬附近的物质,连在真空中每秒速度高达30万公里的「光」临近黑洞时都无法幸免,无法逃脱它强大重力的吸引.况且只有物质被吸入而不会释放出来,所以它是我们无法目视得到会有任何东西呈现的黑暗「区域」,我们称为「黑洞」. 在一般人的心目中,黑洞在宇宙中就好像地球上传闻已久的神秘百慕达三角地带.从一些简短的报导里,我们知道黑洞在宇宙的时空里是一个非常小的点,但这一小小的点却有无穷的吸引力(重力),会不停吞噬它周遭的物质(如尘埃,星体),即使光波也在所难免.一般人相信黑洞可能是由巨型星球演化,经超新星爆发后,接近星体中心的物质剧烈地塌陷而成的.存在宇宙中的数目可能很多,且还有很多奇怪而未经证实的特性,足以影响人类对於整个宇宙和时空的想法. 近代天文物理学大师史蒂芬 霍金 (也就是「时间之箭」一书的作者)在1974 年提到「黑洞蒸发」的论点,他强调黑洞所吞噬物质的状态,是像量子物理所说的呈现出量子化的「激发态」(不稳定状态),这时会在南北两极的地方向外喷流出激发态的物质,这就是所谓的「黑洞蒸发」现象. 直到哈柏太空天文望远镜上了太空且发挥功能,藉著它的广角镜头红外光相机所拍摄的红外光谱图案(因为红外光可穿透各个星球外围云气的障碍)让我们可直接看到星球的原貌.终於在1997年5月12日,NASA宣布发现了距离我们5千万光年外的 M84 星系中心处,有颗约为太阳3亿倍质量的黑洞正像放烟火般地喷流出大量物质.接下来,天文学家利用哈柏太空天文望远镜和欧洲的红外光太空望远镜,也发现许多黑洞都有像烟火般的喷流景象. ↑1997年5月12日美国太空总署 (NASA)发布消息指出,利用哈柏太空望远镜上红外光相机广角镜头的光谱图影像,发现在M84星系中心处有一个约为太阳3亿倍质量的黑洞.这是人类首度发现黑洞的两极正以每秒400公里的速度向外喷流物质.左图中央处标示出位於M84星系中心发现此正在喷流的黑洞位置.右图中蓝色的部分是位於黑洞旋转盘面上正被黑洞吸进去而朝向我们而来的云气,红色的部分是旋转盘面上正远离我们而去的云气. ↑模拟黑洞两极喷流的过程: 图1.黑洞强大的重力正吞噬著邻近星球的云气 图2.黑洞所吞噬的物质形成了不稳定的状态 图3.黑洞正进行两极方向的巨观喷流 图4.经过剧烈的喷流后,黑洞又趋於稳定.黑洞持续进行吞噬邻近星球的云气,不久后将会有第二波的喷流产生. 图5.远观黑洞进行一波接著一波南北对称的喷流 四,黑洞和相对论 在这里又谈到爱因斯坦的相对论.本来黑洞并非一定得由大质量的恒星演变而成, 只是一般星体不可能一下子缩到底.所以恒星演变成黑洞只有经由大质量塌缩这一途径.此结论已由相对论导出,至於黑洞与外界断绝关系,我们可以把其形状试想成细长瓶子状.进入瓶子的一切短程线,都只能按弧线落到其底部.因此形成禁锢的空间,任何物体都无法逃出.但这个禁锢空间对外界是开放的,只是进的去出不来而已,也就是它和外界相通只有单向性.这个禁锢空间的内外分界称为「事界」,也就是史瓦西半径的界面,过了这界线,外界就无从得知了.内部的人最远只能到达史瓦西半径界面,亦即事界是他们世界的端点.而史瓦西界面是由史瓦西首先依据相对论所求出的解,后人便称之为史瓦西黑洞.然而其实事界的概念已先於爱因斯坦早存在,但他创见性的两点在於时空弯曲以及光速是一切物体运动的极限. 五,黑洞的利用 物理学家把有序的相反概念,也就是无序状态叫做熵(Entropy). 一个封闭的物质世界系统,无论甚麼物理变化,全熵量即无序的总量绝不减少,这称热力学第二定律.最后熵达到最大而成平衡状态,这就是所谓的热寂,这时到处能量分布相同,宇宙再也活不起来了.没有运动,也就是没有时间,宇宙就不存在了! 引力能的熵比核能以及热运动能的熵小得多,通常引力场绝非无序的.但黑洞把通常共存物体吞噬进去,就使黑洞失去多样性而驱於统一,於是就包含一定的熵,把黑洞引力场转为其他形式就不能百分之百有用.但黑洞有熵是肯定的.若非如此,投入极大量的无序的东西到黑洞中,岂非全体熵减小了.这就和热力学第二定律相违背了.而黑洞的引力能,可看为存於表面,恰如水滴表面张力那样的表面能.如果给水滴补充能量,它就会激烈震动而分裂.因为面积不够容纳更大的能量.同样的,如果对黑洞施以能量,类似的理由它会震动,用引力波放走能量,因为它不能分裂.它的表面积依然和初始界面表面积一样,亦即表面积不能减少,这可称为「不减能」.黑洞一形成,对应的表面积就是永远不可灭.再来谈到若黑洞自转或带电的话,其塌缩星的能量便对应增加.因为各个电场互相排斥,要合成一体必须作功.所以电荷凝缩伴随著电场能量的储存.以后吸收等量反符号电荷,变成中性,就等於把储存的能量放出.事实上,塌缩星的全部能量包含了寄存的电量.而黑洞有不可灭表面能量,自转能量,电场能量三种.自转能和电场能不是以熵的形式寄存的.旋转速度降低,电荷中性化,就可送出能量,所以只有表面能是熵性的. 但要如何获得其能量呢 在这里提供了「弹道法」.它是把物体射入能层,让它分裂为二.一个跌进了事界,一个抛了出来,而跑出的便带走了能层的能量. 六,不同形态的黑洞 在黑洞学的领域裏,科学家认为黑洞在质量的分类只有两种,一种是太阳的数百万至数十亿倍(supermassive type)另外一种是只有太阳的数倍(stellar type),可是现在美国太空总署及Carnegie Mellon 大学却发现了另外一种型态的黑洞,其重量介於一百倍至一万倍之间,这种新发现的黑洞可能普遍存在於螺旋星系裏,其太小却比月亮还小,天文学家称之为中量级(middleweight)黑洞. 天文学家认为其星系中心有一个相当活跃的中量级黑洞,M82曾与M81擦身而过,造成M82内部的星球与星云扰动,这种不寻常的碰撞可能是造成M82星系中心形成中量级黑洞的原因. 新型态的黑洞是经由X-Ray射线的发现而确认,而X-Ray射线是黑洞附近的物质被吸入黑洞之前所散发出来的最后能量,经由X-Ray望远镜的侦测与光谱仪的对照,可以确定黑洞的大小及活跃程度.这种新型态的黑洞很可能是数个轻量级的黑洞联合而成,这些轻量级的黑洞在M82星系裏有数以百万计,因不明原因而合并成较大的中型黑洞.