黑洞的誕生 當一顆質量相當大的星體的核能耗盡後 沒有輻射壓力去抵抗重力 黑洞的誕生[附圖] - 趣味新聞網

發表日期 2008-02-03T17:12:21+08:00

     黑洞的誕生
當一顆質量相當大的星體的核能耗盡後，沒有輻射壓力去抵抗重力，平衡態不再存在，這星體將全麵塌縮，成為中子星。若其質量仍大於三個太陽質量時，那麼連中子簡併氣體壓力也不能平衡重力，星體將斷續塌縮至它的重力半徑(rg)範圍之內；這時，引力之大足以使一切粒子，包括光子，都被引迴星體本身，不能外逸。這就形成黑洞。
黑洞是一個時空的黑暗區，由一些質量頗大的星體經重力塌縮後所剩餘的東西。它的基本特徵是有一個封閉的視界。這視界就是黑洞的邊界，一切外來的物質和輻射可以進入這視界以內，但視界內任何物質都不能從裏麵跑齣來。
如我們把一顆石塊嚮上拋，它會很快跌迴地麵，我們用點勁拋，它會飛得高一點；假若再加把勁，令石塊嚮上速度達逃逸速度，它便會直衝齣宇宙，一去不返。
恆星質量越大，體積越小，引力的羈絆便越大，所需逃逸速度亦越高。另一方麵，愛恩斯坦的相對論斷言宇宙中最高的速度便是光速，所以如所需的逃逸速度大於光速，那麼宇宙中包括光在內的一切都不可能逃離引力的魔掌，這顆恆星便成為黑洞。
不瞭解廣義相對論，便不能真正瞭解黑洞。廣義相對論的中心思想是質量會扭麯其附近的時空，質量越大，影響越明顯。牛頓力學認為月球繞地球鏇轉，是因為月球受到地球引力的吸引；但廣義相對論的說法則是地球的質量扭麯瞭附近的時空，月球在不平坦的時空以最自然的方式運行，結果走齣瞭一條繞著地球轉的麯綫，情況就如彈珠在不平坦的地麵走，會左搖右擺一樣。同樣道理，光綫在通過大質量物質 近時，亦不會以直綫運行。
重力半徑又稱史瓦半徑 Schwarischild Radius，它隻與體的質量成正比。
黑洞是引力極強之地，光綫路徑扭麯的程度，足以令光綫無法逃跑。在黑洞附近，光綫(包括宇宙所有其他物質)能否逃離的分水嶺稱為事件穹界。為甚麼叫事件穹界呢？原因很簡單，由於在事件穹界之內的一切皆不能逃離，所以在這個界限以內發生的一切，將永遠不能為人所知，事件穹界便是事件能為人所探知的極限。對於一個史瓦西黑洞﹐即一個並不自轉和不帶電的黑洞﹐事件穹界的半徑稱為史瓦西半徑(RS)，數值的大小隻取決於黑洞的質量。
R S = 2 G M / c 2
公式中的M是黑洞的質量，G是引力常數，c是光速。太陽質量的黑洞的史瓦西半徑約為3公裏。在史半瓦西半徑以內的範圍，被定義為黑洞所佔有的空間。
我們稱黑洞中心為奇點，很多人以為奇點是一個半徑等於零但密度無限大的地方。其實，比較正確的說法是我們根本不知道那裏是甚麼一迴事，因為我們所知的一切物理定律根本不適用於情況如此極端的地方。
在事件穹界之外，有一個稱為光子球層的球狀區域。在這裏，隻要光綫是以切綫方式擦過光子球層，便會被黑洞引力俘獲，沿著這球層像衛星一樣永遠繞著黑洞鏇轉。黑洞的可怕引力會隨著距離遞減，事實上假若我們的太陽突然變成一個黑洞，地球並不會感到太陽的引力有甚麼不同，仍舊會依著同一軌道繞著太陽鏇轉。
假若有人跌進瞭黑洞，會發生甚麼事呢？首先，如你在遠處看著這個不幸的太空人，你會發覺開始時就如一切嚮下跌的物體一樣，他跌進黑洞的速度會越來越快，當他接近黑洞，奇怪的事開始發生，你會發覺他開始減速，越接近事件穹 ，他的速度便越慢，一切變得像慢動作影片，最後更彷似停留不動，永遠不能到達事件穹界！
但對這個不幸的太空人來說，情況便完全不同。當然我們先要假設這個太空人有超人般的身體，不會被黑洞的引力殺死。當他越來越接近黑洞，黑洞看來會越來越大，更開始包圍著他﹐隻剩太空船的尾窗仍可看到一角宇宙，但除此之外，倒沒有甚麼特彆，之後在極短極短的時間之內，他便會撞上黑洞的奇點。
鏇轉黑洞
鏇轉黑洞又稱為剋爾黑洞，它們的特性和以上所說的靜止黑洞很不同。鏇轉黑洞有外內兩個事件穹界，而它們 之間的區域稱為能層。在能層內的物質會被黑洞自轉所帶動，但仍有機會逃離黑洞的魔掌。內事件穹界纔是真正的死亡綫，一旦進入便永無翻身之日。
理論上，我們是可以從黑洞中搾取它的自轉能。方法是把一件物體放進能層，然後把物體分成兩部分，讓一部分墮進黑洞，另外一部分逃離黑洞﹐若我們適當地選擇它們的質量、分離的時間等等﹐便可以讓逃離的部分以更高速度(即更高能量)離開黑洞。或者在茫茫宇宙，確有先進的天外文明，利用這個方法抽取黑洞的能量呢！
尋找黑洞
理論上，我們永遠看不到黑洞，但這不錶示我們沒有辦法找到它們。普遍原則是找一些黑而密度高的物體。在事件穹界之外，開普勒定律仍勉強適用。我們可以量度繞著懷疑黑洞轉的氣體的速度，然後利用開普勒定律，計算齣中心物體的質量下限。假若質量超過三個太陽質量，而且它非常細小又漆黑一片，我們便很有理由相信這是黑洞。
通常，黑洞會被吸積盤所環繞，兩極更有噴流。當物質流入黑洞，會發射齣強烈的X射綫。找尋這些X射綫源亦是尋找黑洞(或中子星)的重要方法。
天鵝座X-1便是最早發現的懷疑黑洞。這物體的伴星是一顆O型星，質量下限是七個太陽質量，並會放射齣X射綫。一切證據都顯示它極有可能是黑洞。
非星體黑洞
理論上，黑洞是沒有質量上限的。它們可以超乎想像的大和重，我們稱這種黑洞為特大質量黑洞。我們在不少星係中心都找這種黑洞。例如在M87星係的核心內便有一個質量為3x109個太陽質量，但直徑隻有數光星期之內的物體，隻有黑洞纔可能這麼重而同時又這麼細小。
「黑洞沒有毛發」原理：十年之前，我們相信黑洞是一個很簡單的物體，三個物理參數─質量、角動量(如要求不嚴謹，可把它看成為自轉速度)和電荷─便決定瞭它的一切，兩個黑洞隻要它們這三個參數相同，物理特性便完全一樣，黑洞最初由甚麼物質所造成是無關宏旨的，由於黑洞是這樣「單純」，光禿禿沒有甚麼特徵，所以天文學傢謔稱「黑洞沒有毛發」。對於真正的黑洞，由於它的強大引力足以離子化附近的物質，然後把自己中和，所以應該沒有黑洞是帶電的。但我們最近發現，在非常特殊的條件下，黑洞可能有其他可觀測的物理特性，由於這牽涉高深物理，在這裏不再作進一步的探討。
霍金蒸發：到目前為止，我們不斷強調事件穹界是一條不歸路。但真的沒有東西可逃齣黑洞嗎？著名英國天文學傢霍金得齣瞭一個驚人的結論，他發現理論上黑洞亦會如普通黑體一樣發齣輻射，這便是霍金蒸發理論。原來黑洞亦有溫度，而它的溫度和它的質量成反比，即質量越大，溫度越低。普通星體所形成的黑洞的溫度低至根本無法量度，但隻要我們能夠找到小型黑洞，其蒸發過程卻是可以觀測得到的。
小型黑洞：到目前為止，所談及的黑洞形成機製隻能産生質量大於太陽質量三倍的黑洞。我們相信小型黑洞隻能在宇宙初開頭一秒內的極端環境下誕生，現在仍有小型黑洞存在嗎？理論上是可能的，但目前仍是疑案。
黑洞的歸宿：若黑洞會産生輻射，它便會逐漸失去質量，當所有質量皆蒸發掉時會發生甚麼事？我們不知道，科學傢仍需努力。
蟲洞：在科幻小說裏，我們經常可以看到作者用蟲洞作為連接宇宙兩處地方的捷徑。小說中的英雄隻要走進蟲洞，便可瞬間穿梭時空。到目前為止，蟲洞隻存在於理論當中，作為時空隧道它有極大的缺點，它的兩個齣口皆是黑洞！當勇敢的太空人穿越蟲洞後，他會發覺自己被睏在另一個黑洞中，他或許可在剎那間看到宇宙另一處的景像，但會立即撞進奇點而死亡。
圖中為黑洞從星體形成的過程中，外層經過爆炸而齣現塵，大量的塵在黑洞形成後仍會以高速在黑洞外盤鏇，這對天文者定位黑洞很重要，而這些塵和分子有時稱作accretion disk.








黑洞的參數
要瞭解一顆星體，我們需要很多參數，但當它塌縮成為一個黑洞，任何物質都不能逃離它，因此我們是無法觀測到任何有關它的信息。根據研究，隻有三個基本參數，質量、電苛和鏇轉，我們纔能在遠距離探測到，這就是"黑洞沒有毛發"定理。
理論上，黑洞可按積分成小、中和大三類，已有好些証據顯示，中型黑洞是大星體在其生命終結時，星體內陷和坍塌後所留下的遺骸，而大型黑洞則存在於很多星係中，可能包括我們身處的星係。
黑洞的界限
當一個黑洞形成後，所有物質都會嚮中心場縮成高一個非常細小的質點，稱為奇點 Singularity，黑洞的錶麵層稱為”事件穹界”Event Horizon。而這錶麵層和中心奇點的距離就是史瓦半徑。任何物質要從黑洞的史瓦半徑跑到外麵去，它的逃離速度 Escape Velocity便要大於光速。但根據狹義相對論，光速是速度的極限，因此，一切物質到瞭事件穹界便扯嚮中心的奇點，永不能逃齣來。
黑洞的存在
於1990年4月27日，哈勃太空望遠鏡 Hubble Space Telescope的啓用，為人類探索太空夫揭開瞭新的一頁，雖然在製造時齣瞭錯誤，使影像大打摺扣，可是仍對天文學有莫大的貢獻。近來人類對一直隻是存在於理論範疇內的黑洞，已透過哈勃太空望遠鏡，有瞭進一步的証據。於仙女座大星係M31附近的M32發現瞭一個質量大於太陽三百萬倍的黑洞。M32是在我們的銀河係附近，距離地球2.3百萬光年的星係。它是人類所知密度最高的星係，於直徑隻有一韆光年的範圍內（我們的銀行河係直徑約十萬光年），包含瞭四百萬顆星，中心和密度是我們的銀河係100個一百萬倍左右。假設你生活於M32中心的行星上，你會見到一個密佈星光的夜光，光度比一百倍滿月還要亮。科學傢是由星星於該星係的活動，及其中心密度而推測的。此星係內之星星移動速度較之於一般星係每秒快瞭100公裏。對於此發現，實對各天文學者的一大鼓舞，相信以後哈勃望遠鏡，必能為人類揭開更多太空的神秘之謎。

資料來源
癡漢論壇
小弟此番分享貴在知識交流
並非部份會員所想隻為賺取積分
這些知識在小弟未接觸前
也深感不可思議
接觸後更覺他浩瀚無垠
在個人知識所及外
的每一部份都可說上是不可思議
無意筆戰貴在分享
有所問題者歡迎私下傳訊交流

[ 本帖最後由 dumbmotor 於 2008-6-16 12:43 編輯 ]

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