在2019年4月10日,一組科學家完成了壯舉:他們成功拍到了黑洞有史以來的第一幅照片。這張得來不易的照片理所當然地佔據了全世界報紙的頭版,畢竟人類從來也沒有想過自己能夠拍到黑洞,而且能夠把它廣傳。

照片中的黑洞是一個超大質量黑洞,質量是太陽的24億倍,位於離地球5300萬光年的M87 星系中心。


處女座梅西爾87(M87)星系中心的黑洞
相片來源: Event Horizon Telescope Collaboration [1]

首先我們要解答以下問題:到底黑洞是甚麼,又是怎樣形成的呢?

簡介黑洞

雖然科學家早於18世紀已經猜測到黑洞的存在,但最先在科學上預測到黑洞存在的卻是愛因斯坦的廣義相對論,那是作為愛因斯坦重力場方程式中的一個解。愛因斯坦的相對論大概可以用約翰·惠勒(John Wheeler) 的一句話優雅地總結:「時空告訴物質怎樣移動,物質告訴時空怎樣扭曲(Space-time tells matter how to move; matter tells space-time how to curve)」[2]。

物質會令時空變得扭曲;在黑洞事件視界(event horizon)的周圍,時空扭曲得甚至連光也不能逃逸。這發生在一顆恆星塌縮至一定小的體積時,更準確地說,比史瓦西半徑(Schwarzschild radius)還要小的時候(這裡M代表恆星的質量、c是光速、G是重力常數)。

讓我們從具體例子看看:如果我們的太陽是一個黑洞的話,它的半徑就會約為2.95公里;相比之下,太陽現時的半徑為696,340公里。事實上,因為太陽的質量相比下實在太微不足道了,所以我們永遠都不用擔心太陽會變成一個黑洞 — 這一定不會發生!

宇宙裡的黑洞都是從重力塌縮(gravitational collapse)的過程形成的。在一顆瀕死的恆星裡面,較重的元素會進行核聚變,令恆星的內部壓力降低;隨著恆星的壓力降低,引力會令它進一步塌縮,這星體的密度將會變得極高,所產生的重力也自然大得驚人 — 這就是黑洞。修讀高中物理的同學可能記得逃逸速度(escape velocity)這個概念:黑洞的體積極小、質量極大,令逃逸速度比光速還要快,所以沒有東西能逃出黑洞 — 連光也不能。


現在讓我們看看幾個流言:

流言:那張黑洞照片是由一座望遠鏡拍攝出來的。

流言破解。

那張了不起的照片並不是單憑一座望遠鏡拍攝出來的,它是由坐落於世界不同地方的八座望遠鏡拍攝得來的多張照片疊合而成,那八座望遠鏡被合稱為「事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope/EHT)」[3]。對於要拍攝這個離地球極遠的黑洞,如果要得出以令人滿意的相片質素,望遠鏡需要一個非常大的光圈(鏡頭開口的大小)來收集從黑洞發出的光。與其建立一座巨型的望遠鏡,研究團隊決定在同一時間把多座望遠鏡對準黑洞,創造出一座極大的「虛擬」望遠鏡。這座望遠鏡的光圈就變成了當中兩座相距最遠的望遠鏡之間的距離,也大概是接近地球的直徑!這大大提升了望遠鏡的解像度,使我們可以拍攝到很遠很遠的天體。你現在看到的影像是在2017年4月其中四天,從八個不同地方所收集的數據疊合而成的 [4];它是由大量數據以影像修復技術重組而成的一張照片。

流言:黑洞只會越來越大。

流言破解!

你可能在想,黑洞只會吞噬物質 — 這也是科學家長久以來所相信的,直到一天霍金先生的來臨……

霍金教授其中一項最著名的發現是霍金輻射,也就是黑洞發出的一種輻射。的確,任何東西也不能逃出黑洞,但是當時的物理學家卻不知道黑洞本身也會釋放輻射 [5]。霍金輻射背後的理論難以在此詳細解釋,大概可說是因為量子漲落(quantum fluctuations)的關係,令黑洞傾向喪失能量,譬如是以電磁波(electromagnetic waves)的形式。如果黑洞發出的輻射比吸收的多,那麼黑洞的質量就會減少,最終會蒸發,因為 E=mc2這條著名的方程式提醒我們:質量和能量是等價的。

雖說如此,黑洞要完全蒸發並消失的話,需要一段非常長的時間,所指的是以10100年計的時間,因此宇宙的歷史(大概是1010 年的概念)相比之下只是九牛一毛。即使是最快消失的黑洞,消失的時間也很難短於宇宙至今的整段歷史,那相對上仍然是一段很長的時間。

流言:黑洞不是黑色的(因為我們能看見它)。

流言破解。

先要澄清一件事情,黑洞本身是100%黑色的,因為黑洞本身的定義為「任何越過了事件視界的東西一律都不能逃出黑洞」。我們在照片中看到的其實是圍繞著黑洞的物質 — 一環即將要消失在事件視界的物質和光。而在照片中看到的橙色是人工加上去的,它表示了黑洞附近的輻射強度:橙色部分代表較強的輻射,黑色部分則代表輻射較弱或沒有輻射的地方 [4]。如前文所述,黑洞本身也會發出霍金輻射,但由於強度實在太弱了,所以我們在可見將來也不見得能夠觀測到黑洞釋放的任何輻射。

流言:一旦掉進黑洞裡面,你的身體會被扯開。

流言證實。

這是因為一個稱為「意粉化(spaghettification)」的過程,它是由黑洞所產生的引力梯度所造成的。由於重力場強度的明顯差別,如果你是頭先掉進黑洞的話,你的頭所受的重力將會比腳所受的大得多。自然地,你的身體將會向垂直方向被拉長,向水平方向被壓縮,這些潮汐力(tidal forces)強得足以在一個人遠遠還未抵達黑洞中心之前就把他分屍,所以你跌進黑洞之後可以說是必死無疑。(為安全起見,《科言》編採團隊並不建議你親身掉進黑洞來驗證這個流言。)

後記:與黑洞相關的知識還有很多,希望這篇文章能令你對黑洞有更大的興趣吧!如果你想探索更多,網上有不少資源能提供更詳盡的資訊,比拙欄在有限空間內能提供的多。如果要對黑洞作更深入的了解,必須先學習愛因斯坦的相對論,首先是狹義相對論,然後是廣義相對論。值得介紹的包括以下兩個YouTube頻道:PBS Space TimeMinutePhysics.

參考文獻


  1. European Southern Observatory. (2019, April 10). First Image of a Black Hole. Retrieved from https://www.eso.org/public/images/eso1907a/
  2. Misner, C. W., Thorne, K. S., & Wheeler, J. A. (1973). Gravitation. Princeton, NJ: Princeton University Press.
  3. Lutz, O. (2019, April 19). How Scientists Captured the First Image of a Black Hole. Retrieved from https://www.jpl.nasa.gov/edu/news/2019/4/19/how-scientists-captured-the-first-image-of-a-black-hole/
  4. The Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters, 875(1). doi:10.3847/2041-8213/ab0e85.
  5. Traschen, J. (2000). An Introduction to Black Hole Evaporation. arXiv. Retrieved from https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0010055.pdf

標題相片來源:

The moon and the arc of the Milky Way: ESO/S. Guisard (www.eso.org/~sguisard)
Interacting Galaxies Group Arp 194: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)


作者:
蔡蒨珩小姐
《科言》學生編輯
香港科技大學