黑洞旅行團，出發！（中）--黑洞種類與結構
撰文／劉詠鯤
2021 年 07 月 14 日
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。
「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。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。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」。
https://i.imgur.com/PmDFt7X.png
(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」。圖/CASE報科學)
「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，外面明亮具有光環的天體，便是我們這趟旅程的目的地。」
https://i.imgur.com/GpNVoG5.png
(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，請各位看向這張圖。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。」
https://i.imgur.com/9DhEutS.png
(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。」
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
https://www.youtube.com/watch?v=zUyH3XhpLTo&ab_channel=Veritasium
延伸閱讀：
#分享 幫助衛星精準氣象預測的「掩星技術」 - Meteor
https://meteor.today/a/Jr9dVQ?ref=ios&utm_source=meteorApp
#分享 兩千多個能看到地球的恆星系統 - Meteor
https://meteor.today/a/95bRXP?ref=ios&utm_source=meteorApp
#潮汐力 #黑洞 #黑洞無毛定理 #光線 #重力
出處：CASE報科學
網址： https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=36716
筆者的介紹好有趣
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