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7月 10, 2019

答應我,在說黑洞是騙人的之前先把影片或這篇文看完。— Netfilx「黑洞啟示錄」

好喔,今天來聊黑洞好嗎?不好嗎?我管你的勒。好的,今天的話題也會頗深,因為我看完Netfilx上的黑洞啟示錄(BLACK HOLE APOCALYPSE)好興奮阿。
首先,了解黑洞,除了有機會了解宇宙源起(也就是big bang),也可以從中理解自然的運作。例如,我們所理解的穩定,或許是一個永恆、靜止的狀態,但其實宇宙中的穩定,是兩個力量相互抗衡而達到的一種平衡。(這道理套用在國際關係、政治、商業或婚姻好像也行得通,但是我們先不要討論這個好了。)

回來說宇宙。例如,恆星能在宇宙中維持穩定,是因為自身的引力向內壓縮、而內部核融合所產生的能量向外擴張,兩者恰好維持了一個平衡的狀態。所有恆星都是從燃燒最輕的原子:氫(H)開始,在融合過程中轉為氦(He)、碳(C)…一路下去,並釋放能量,這些能量可以跟自身引力維持平衡,而質量更大的恆星,可以融合出質量更大的物質,例如鐵(Fe),但鐵在融合過程中不太釋放能量,所以恆星最終會被自身引力給吞噬,最後塌縮。太陽質量3倍以上的恆星塌縮會造出黑洞,就是我們或許聽過的「超新星(supernova)爆炸」。簡單說,你問我怎麼樣可以變黑洞?我會回答你:「任何冷恆星擁有三倍以上太陽質量都可以變成黑洞。」※1939年美國物理學者歐本海默計算出一顆質量超過太陽質量3倍(歐本海默極限)而又沒有任何熱核反應的「冷恆星」,一定會在自身重力的作用下塌縮成為黑洞。詳見維基百科

而黑洞是愛因斯坦的相對論所推導出可能存在的東西,起初只是在理論上成立,多數科學家不相信黑洞在現實世界中存在。後來有科學家從核能,也就是核聚變來推測,是否黑洞的形成是從巨大的恆星演變的。
宇宙中有些恆星會有變紅變藍的現象,其實是因為高速的在運行,接近我們時波長較短,是藍色,遠離時波長較長,是紅色,這種現象稱都卜勒頻移(Doppler shift),也稱都卜勒效應(Doppler effect)。科學家預設這種恆星其實有一個系統,也就是「雙星」的組合,當時的假設認為一顆運行中的恆星其實是繞著一個看不見的東西在運轉,否則很難解釋為什麼恆星會獨自運轉。(就像地球跟其他行星轉動是繞著質量更大的太陽是一樣道理)當然,這也是由相對論的質量扭曲空間跟時間這個重要的觀點,來推測出恆星是受一個質量極大的「看不見的星體」影響,這正是1971年理論首次推測出黑洞天鵝座x-1的過程。至今在我們的銀河系已經找到大概20個黑洞,銀河系可能也存在著上百萬個黑洞。
當時從理論粗估天鵝座x-1的質量,很顯然是一個黑洞。但是因為不夠精確,所以很難肯定,後來從更科學的方式精確推算天鵝座x-1的距離(以天文學來說,了解距離是非常重要的。)越來越確定那就是個黑洞。不過你可能會問,不可見的東西到底要怎麼證實存在?我們先來看張你很熟悉的圖。

然後我來回答一下這個問題,看不見有時候並不代表不存在,只是證明了我們視野太狹隘。我說的不是抽象的形容,是很具體的事實,看看上面這張圖,在宇宙中充滿了不同頻率的輻射,而我們肉眼可以看到的波長只有中間超級細小的那一段,我們就稱之為可見光。什麼紫外線啦、紅外線啦、無線電波啦、X射線啦…這些頻率你都看不到,但也確實存在。
所以在天文學上,很多我們觀測不到的星體,科學家是用電波望遠鏡在探測的。用普通的望遠鏡什麼都沒看到,但是卻從電波望遠鏡上測出了電磁能量,很顯然就是有個什麼你看不到的東西在那裡,科學家暫時把這種看不到的東西稱為類星體(Quasars),進一步要探測和分析這種類星體裡面有什麼的時候,發現了原本該是氫原子的波譜,被推送到了不同位置,幾乎無法辨認,進而得出一個驚人的結論:類星體正在以驚人的速度遠離,氫原子的波譜才會位移到無法辨識的程度,也就是說——宇宙正在膨脹。這意外的讓科學家了解到140億年前大爆炸的跡象。
而這個類星體(Quasars)遠離的速度超乎想像的強大,勢必有一個什麼能量把這類星體給「發射」出去,而且這個能量幾乎是需要擁有太陽的上百萬或上億倍才有可能達到這樣的速度。而且要是有那麼大質量的東西怎麼會看不到?這種速度也無法想像、無法用目前理解的定律解釋,因為就算是核能也無法達到那樣的速度。除非黑洞存在。不然你拿什麼物理定律來解釋?說個笑話好了:所有物理定律只要進了黑洞就不成立了。好,不要問我所以類星體跟大爆炸具體到底是怎麼樣,因為我可以回答你的那天應該已經拿諾貝爾了。
總之,科學家因此從我們所處的銀河系探究黑洞,我不知道你知不知道,但是我想先提一下,我們的銀行系的寬度大概是十萬光年,但厚度只有一千光年。


1990年科學家從實際的天文望遠鏡紀錄和觀察,發現所有恆星都圍繞著銀河系的中心在運轉,而且是每秒上千上萬公里的超高速運行,這表示銀河系中心要有相當於太陽質量四百萬倍的超大物體運轉,但是我們卻無法在銀河系中心觀測到任何龐大物體,所以這又是一個黑洞的有力證明。是的,我們的銀河系中心可能有個超大質量黑洞存在。天文學家進而建立了其他銀河系的模擬模型,用運算方式模擬宇宙中的星系,發現每個銀河系幾乎都要在中心擺上黑洞,模型才會最接近實際宇宙中星體的樣子。這又是一個驚人的結論:每個銀河系的中心可能都存在超大質量的黑洞。
一連串說明黑洞存在的證據接踵而來,近年來更強大的除了今年(2019)拍到黑洞照片以外,就是證實重力波存在。重力波(Gravitational Waves)也是在愛因斯坦相對論下導出的一個預言,因為既然相對論證實了質量會扭曲空間跟時間,那麼當宇宙中兩個巨大質量的物體相互纏繞(例如兩個黑洞)就會引起時空的巨大漣漪(就像水波的漣漪一樣概念),關於怎麼探測的,netfilx這影片有說到,我2016也寫過一篇文(可以解釋宇宙源起、同時也是愛因斯坦相對論最後一個預測終於被證實--重力波。)討論原理,所以在這就不解釋了。突然寫累了,該講的、想記錄起來的也都說完了,記得去看Netfilx上的黑洞啟示錄(BLACK HOLE APOCALYPSE)喔。

*如果文章有任何錯誤也請各位不吝指教QQ

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