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宇宙中的黑洞?

黑洞的起源: 「黑洞」的觀念並不特別新奇,早在1798年,有名的學家拉步拉斯已察覺出因為無法射出光線於宇宙而被看成「黑洞」的星球之可能性。該想法在牛頓的重力理論的範圍內,極為簡單。此及縱然某種物體由行星、恆星、月球等彈出或射出。已知除非該物體具有比「逃離速度」更快的速度,它就不可能擺脫重力的引力脫離到宇宙空間。假如物體的速度比逃離速度慢,它不是掉回原位,就是像人造衛星那樣維繫其軌道運動。但拉步拉斯的構想被埋沒許久,因為一般認為不可能存在與太陽同一密度、半徑與地球的軌道半徑相同的星球,就算有也會因黑洞效果而不能觀測。可是到了1917年,黑洞終於以異於前述的方式被再提出討論。那是因為愛因斯坦的一般相對論出現而劃時代地改變重力的概念,使人們欲研究由此理論可預料的現象趨勢成熟。另外一提,關於“黑洞”這個名稱的由來,雖然天文學家Karl Schwarzschild在1916年就發現了廣義相對論中非旋轉黑洞的解,但是一直到1967年它才由諾貝爾物理學獎得主John Wheeler正式定名為“黑洞”(black hole)。 什麼是黑洞: 什麼是黑洞呢?簡單的說,黑洞就是一個其逃離速度超過光速的空間區域。大家知道,由於地球的引力,任何從地面發射的火箭如果沒有足夠的速度,就無法掙脫地球引力,最終會返回地面。換言之,如果火箭因運動而具有的動能小於它在引立場中所具有的位能的話,它就不能逃離。這些逃離速度我們都可以用牛頓力學公式求出。值的注意的是,不管脫離地球、脫離太陽或者脫離任何一個星體所需的逃離速度,不僅與該天體的質量有關,還與它的半徑(或密度)有關。這是因為引力不僅與質量有關還與距離有關,密度越大就越密集,天體表面也就越靠近它的中心,表面及其附近的引力就越強,因此,質量與太陽相近而半徑與地球差不多的白矮星,其逃離速度為6450公里每秒;質量與太陽相近,半徑只有10公里左右的中子星,其逃離速度竟達16萬公里每秒之巨。由此推論,隨著天體質量和密度的增加,逃離速度也不斷增加,終於會達到需要具有光的速度才能從相應的引力場中逃逸出去。但是,被越來越多的實驗證實的愛因斯坦相對論指出,沒有任何一種東西的運動速度能超過光速。因此,逃離速度為光速的天體,就是使任何東西(包括光)都不能從其中逃逸的天體,這就是黑洞。黑洞是一個幾乎與世隔絕的獨立宇宙,任何東西都不能從中逸出,但是外部的東西卻可以不斷進入,正像一個深不見底的漆黑洞穴,黑洞的名稱正是由此得來的。所以亦有人形容黑洞是只「吃」不「吐」的漆黑無底洞。 黑洞的形成: 黑洞的形成又可以有好幾種可能性,第一種較為可能的,是非常大量的物質集中聚集,而他們的密度保持不變,如此這一堆物質的引力就會隨著質量的增加而越來越強,最後引力強到連光都逃不出去,那麼它就會形成一個黑洞,例如把質量有1.4億個太陽的星體聚集起來,就會形成黑洞,這個黑洞的直徑是非常地驚人;第二種可能,是假若一顆恆星的質量固定不變,但是讓它不斷地收縮下去,那麼它的密度就會隨著體積的縮小而變得越來越大,引力場也越來越強,直到變成連光線也逃不出去的黑洞,例如要是把太陽收縮到半徑只有3000米那麼小,就會形成黑洞,這個黑洞直徑並不大,反而是密度非常大了。第三種可能本組以科學的方法來解釋:太陽的末期,氫會融合為氦,氦再融合為碳和氧以至更重的元素,直到核融合不能再提供能量為止,那時太陽內部將沒有足夠的壓力支撐外層的巨大重力,於是整個太陽要向中心塌縮。原子將被擠碎,電子要與核子分離,直到電子產生的壓力足以阻止太陽的進一步塌縮。那時的太陽密度很大,發出的光則只有原來的萬分之一,遂成了一顆白矮星。但是若恆星的某一質量大於某限度時,電子提供的壓力將不足以與引力抗衡,於是電子被擠入原子核內,與質子結合成中子,整個恆星塌縮為中子,密度變得更大了。當恆星的質量再比這個限度更大時,塌縮的結果是中子也無法存在,這時恆星將塌縮為黑洞。因此也有人說黑洞的形成是恆星演化、終結、死亡的結果。 黑洞內部的溫度及狀況: 此情況天文學家還沒有完全的定義。如果我們進入黑洞之中,首先會先通過事件地平面,進入一個完全是空的時空系統,只有恆星陷縮的奇異點(singular point)。雖然是空的時空系統,但其中可能存在著重力輻射,卻沒有任何可以“測出溫度”的介質。雖然在數學上可以預測出許多黑洞中奇特的狀況,如時空旅行等,但是卻很少人提及是否黑洞真的會以恆星陷縮的形式產生。根據超級電腦的計算,陷縮的過程可說是非常混亂。自轉黑洞曾被認為是通往其他宇宙的大門,或者是進入時光隧道的入口,但是經過研究恆星所形成的黑洞物理性質後發現,這些黑洞的內部充滿了巨大的重力輻射通量,粉粹了黑洞之旅的幾何可能性。如果黑洞在宇宙誕生後即形成,那麼其內部除了奇異點外一定空無所有,但是如果黑洞是由後來的超新星爆炸過程所產生的,那麼在我們在進入事件地平面後所看到的黑洞內部會稍有不同,因為時間尺度在我們的座標系統與陷縮星表面的座標系統之間有極大的差異。從外部看,會發覺恆星的核心越來越接近其事件地平面,而且速度越來越慢,直到最後它似乎停止收縮並完全變暗,核心收縮的速度慢到似乎數十億年才收縮幾公分。此時,如果我們在火箭中衝向黑洞,我們會發現整個星球的表面完全在事件地平面之內,被奇異點吞沒。 黑洞內部能量: 由於黑洞的特性就是吞噬了一切東西(包括光),因此,黑洞裡面可能蘊藏著大量能量,甚至人們也感興趣,有沒有從黑洞中提取能量的可能方式呢?為此,必須進一步對自轉黑洞進行分析,且討論一項黑洞的基本物理性質──角動量。我們都知道,各種天體都在旋轉,黑洞應該也不例外,旋轉會使天體有角動量。由於封閉系統的總角動量守恆,當恆星塌縮時,自轉應加遽,一顆新的中子星每秒可旋轉一千多次,進一步塌縮成黑洞,旋轉速度應更快,這是不可避免的,因此,在討論黑洞時應考慮到它的自轉與角動量。自轉黑洞仍然存在著逃離速度為光速的「史瓦西半徑」,但它外面一定範圍的空間也將隨著黑洞一起像剛體那樣旋轉,這個與黑洞一起旋轉的空間稱為黑洞的「工作層」,工作層熱外邊緣稱為「靜止極限」。進入工作層的物體,將隨黑洞一起高速旋轉,獲得很大的能量和角動量,但由於還在史瓦西半徑之外,所以只是黑洞的半捕獲物,既有可能進一步進入史瓦西半徑內被捕獲,也有可能在特殊的條件下越出工作層,先進入然後又越出工作層的物體,由於進入後隨黑洞一起轉動附加了能量,因而越出時將帶走附加的能量。換言之,黑洞的一部份能量和角動量轉移到了物體上,並被它帶走,這就是從黑洞提起能量的一種可能方式。當然,從自轉黑洞提取能量的過程並不是無限制的,就像宏關過程都要遵循熱力學中的熵增加原理一樣,從自轉黑洞提取能量必須保持黑洞的表面積不變而減少其質量。理論計算表明,我們可以把一個自轉黑洞總能量的百分之30擠出來,辦法是小心地把物體送入工作層,帶它們越出後再收集起來,如果能實現的話,黑洞就會失去它的自轉能量只剩下質量,從而靜止極限與史瓦西半徑重合,這時黑洞就「死」了,再也不能直接產生能量了。有趣的是,經過計算,從一個質量為108M⊙的黑洞中可以提取的最大能量為6*1055焦耳,這似乎正是活躍星系或似星所需要的能量。另外一方面也重要的,一般認為黑洞就是吞噬,不可能發出任何東西。但是1974年霍金(Hawking)的最新研究報告,情況可能不完全如此。霍金指出,物質─反物質對(意即正、反粒子對)經過黑洞附近時,可能一個掉入黑洞,而同時將另一個排出黑洞,這意味著黑洞能夠產生和發射一些粒子,以微觀的奇特方式穩定地往外“蒸發”粒子,有了這種“蒸發”,黑洞就不再絕對是“黑”的了,黑洞也將會在長時間內逐漸被蒸發掉。霍金還證明,每個黑洞都有一定的溫度,黑洞越大,溫度越低,蒸發也越微弱,黑洞越小;溫度越高,蒸發越強烈。小黑洞由於蒸發,質量就會迅速減小;質量小了,溫度就變得更高;溫度高了,蒸發又進一步更快........這樣下去,黑洞的蒸發就變得越來越激烈,最後終於以猛烈的爆發而告終,這就是不斷向外噴射物質的白洞了。不過這種說法,有沒有白洞?目前還是持保留態度,必須尋找更多天文觀測證據才能確定。 如何觀察、尋找黑洞: 黑洞的存在有多大的可靠性?我們已知目前在銀河系中或為新星的物質大約10%,將成為擁有太陽的10倍以上的質量的星球。由此可以推測在我們的銀河系中有9、10個左右由質量大的星球所造成的黑洞。一部份天文學家更主張在銀河系年輕時應有更多質量大的星球,所以應該會形成更多的黑洞。天文學家最初的尋找方法,是假設如果有一個發光天體位於黑洞後方並被黑洞遮擋吸收掉一部份光,根據這種「掩蝕」的現象或許可以判斷是否存在黑洞,但是考慮到黑洞太小,這種方法難以奏效。黑洞的特點既然在於它的巨大引力,那麼可以設想的尋找方法應該藉助於黑洞巨大引力所導致的各種效應。假設太陽仍在原來位置上,但變成了半徑三公里的一個小黑洞,顯然,太陽系將漆黑一團,除閃閃星光之外別無其他亮光,但是,由於太陽的質量、引力依舊不變,地球及其他行星應該照樣沿著現在的軌道運行,因此雖然變成黑洞的太陽無法直接觀測,但從地球和其他行星的運行可以推斷它的存在。由此推廣,如果能找到一對雙星,一亮一暗,根據亮星的運行推斷出確有暗伴星存在,並且如果暗伴星的質量大於某一界限(超過塌縮成白矮星或中子星的質量上限),那麼,這個不能直接觀測的雙星系統中的暗伴星很可能就是一個黑洞。但是,單純從雙星系統的暗伴星中尋找黑洞,由於存在各種難以鑑別的可能性,因此用這種方法尋找黑洞也失敗了。然而僅僅過了兩年,又出現了頗為不同且在之後得到進一步確認的觀測方法,1964年初,幾個理論家預言:雙星系統中的黑洞,由於它的強大引力,可以擄獲從亮伴星中流出來的氣體,在氣體被吸引衝向黑洞的途中被加熱到很高的溫度,並將發出很強的X射線,因此,如果能找到一個暗伴星,它能發出X射線,且質量足夠大,那麼它就很可能是一個黑洞。按照這種理論,從觀測上尋找黑洞的方法應該是:尋找X射線源,找到它的光學對應體(亮伴星),發現系統的雙星性質,估計暗伴星的質量。目前此種方法已得到確認,開始了更大規模的搜尋黑洞的計劃。 利用黑洞做時光旅行: 黑洞只可能用於進入未來!就目前所知,在我們的宇宙中,似乎不可能回到過去。依照愛因斯坦的廣義相對論與哈佛大學物理學家 Pound 及Rebka 的實驗證明,在重力場中,外部的觀察者會看到強重力場中的時鐘走的較慢,這類似於狹義相對論中時間延遲 (time dilation)的效應,而且其條件為除了重力紅位移效應外,兩者之間沒有其他任何相對運動。也就是說,若 A 為朝向黑洞之強重力場中運動的人員,並且固定每秒鐘發出一個光波訊號,在遠距離外的 B 觀察者所看到 A 人員發出的光波訊號間隔時間會越來越長,從一秒鐘到一分鐘、一小時甚至更長。當 A 越接近黑洞的事件地平面,遠方觀察者 B 所看到的光波訊號間隔越長,也只有能量更高的光子可以脫離黑洞的重力場。當 A 穿過事件地平面進入黑洞後,最後一個發出的光波訊號會以幾乎無限大的紅位移傳送出來。如果A 的光源為一兆電子伏特能量的 r-射線,當傳送到觀察者 B 時可能已經變成只有 0.00001 電子伏特的無線電波!雖然光源 A 仍舊維持在每秒鐘發出一個信號,但觀察者 B 收到信號的間隔可能隨著光源越接近黑洞而越長,可能是一分鐘、兩分鐘。換句話說,對於 A 本身來說每過一秒鐘,對於觀察者來說卻已過了數分鐘之久。就本質上來看,A 的時間流動比觀察者 B 為慢,如果在 A 進入黑洞前能夠再與 B 會合,將會發現 A 的時鐘比 B 走得慢多了,這段也許只花了 A 幾小時的行程,在 B 看來可能已過了幾千小時!質量為太陽大小的黑洞,在接近黑洞附近時其重力潮汐十分巨大,所以在 A 到達事件地平面幾百公里前,便已經被拉扯成麵條那樣細長的碎片了。但是對於超巨質量的黑洞來說,雖然其質量可能達太陽的數十億倍,在事件地平面附近的重力潮汐力反而可能非常小,A 或許有脫逃的機會,能夠穿越這個單向的屏障(也許沒有)。原則上,假如 A 能夠在進入事件地平面前幾釐米前脫逃出來的話,那麼 A 所進入的時間將是外界觀察者 B 認知中的未來世界,也許是數千年後,但是對於 A 來說,只不過經歷幾小時而已。該注意的是,上面的例子只是描述接近與逃離黑洞、並進入未來世界的過程而已,數據是為了加強描述的效果而虛設的,並非真實計算結果。詳細的計算方法很難在此敘述清楚。 黑洞會“長大”嗎? 是的,黑洞會藉著吸入物質而逐漸長大。一般恆星質量的黑洞可以藉著吸入其伴星的物質而使本身質量加大。超巨質量黑洞則是在數十億年演化期間中藉著吸入數百萬顆恆星而形成。目前黑洞吸入物質的過程仍在研究中,但黑洞的確是宇宙中的嗜食狂,很難滿足它的胃口。 兩個黑洞相撞會有何結果? 當兩者相距仍有一段距離時,它們之間的重力交互作用與一般正常星體無異。一個太陽質量的黑洞直徑約3公里,當它們相距約幾百公里時,其外形開始變形,即事件地平面已不再是球面(如果是非自轉黑洞)。當它們更靠近時,在巨大的加速力下,所有加速的物質都會放出重力輻射,雙黑洞系統的能量由此流失。由於質量與能量在物理上是等效的,所以雙黑洞系統的能量流失相當於其總質量的減少。在幾分鐘內,兩個黑洞的事件地平面開始互相穿透,如果我們能目睹這整個過程,將會看到兩個黑洞合併成一個新的黑洞,其質量因重力輻射而比先前兩個黑洞質量之總合稍低。根據超級電腦的計算結果,合併所造成的質量損失約 10%,新黑洞的表面積也比先前兩者之合略小。 如果黑洞進入太陽系,地球會受影響嗎? 不見得會,但是真正對人類生活的影響則要視其質量的大小而定。一個木星質量的黑洞直徑只有一米左右,只有藉著行星軌道的擾動才會偵測、感知它的存在。被影響的行星也許會變成像彗星一樣的高離心率天體。如果發生在地球上,可能導致生物的滅絕,絕大部分人類也會因低溫、動植物無法生長與液態水短少而死亡。如果來襲的是一顆太陽質量的黑洞,儘管其直徑只有兩公里大,行星的軌道不只會受到極大的擾動,甚至可能會完全被彈射離開太陽系。
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