~:~略識宇宙裡的『黑洞』~:~

如果要提到黑洞是什麼和如何形成的，那就要從恆星的變化說起了。恆星就像是一個生命體，從它生成的哪一刻開始，就註定了走向滅亡之路.隨著恆星的大小質量，會發展出不同的"死法"諸如："白矮星(white dwarf)"、"紅巨星(red giant star)"、"藍巨星(blue giant star)"、"中子星( neutron star)"...當以下面兩種方式壽終正寢時，他周圍的星體有可能就要遭殃了。

一是他臨死前會以超乎想像的猛烈核爆方式向外爆發，而形成淒美哀絕的光芒，稱為"超新星(supernova)"；二是當它太重時，會被自身的重力所壓垮，而形成"眾星"皆恐懼的時空殺手---"黑洞(black hole)"。所有的恆星都是被重力拉在一起的氫氣球體，如果向內部作用的重力是恆星唯一之力的話那麼恆星會因承受不了己身龐大的質量而立刻向內部崩潰。恆星之所以沒有被自身所壓碎，全是因為內部的氫原子核聚變所生成的向外壓力，把向內部作用的重力給平衡掉了。但這個平衡終會因恆星內部能量的消耗而失衡的。

恆星內部巨大的壓力是從何而來的呢？我們知道在一定的容器內的氣體，如果給它的溫度越高哪麼容器內氣體所引發的壓力也就越大。（給原子的能量越多，它的震動速率就會越快， 撞擊容器壁的次數也就增多，容器壁所承受的壓力也就越大。）我們可說壓力和溫度是成正比的. 恆星內部之所以有如此大的壓力，是由於內部的氫原子核聚變所產生的幾百萬度溫度所引發的，也由於這個力使得恆星能燃燒自己，照亮別人。而恆星的質量大小和它的命運是有密切關係的。

恆星是靠氫氣來做為核融合的燃料，當兩個氫原子融合成一個氦原子時會釋放出能量，所以氫原子會融合成氦原子，相對的氫原子會逐漸的減少，也就是用來當作核燃料的氫氣變少了，當內部的氫原子消耗掉約百分之十時，這時重力就有機可乘了，重力會壓制內部壓力，結果恆星的核心會開始收縮，但收縮是會釋放出能量的，這個能量會使核心變的更熱，當核心溫度夠高時，氦原子就可以聚變成碳原子，更進一步聚合成更重的化學元素。這時就要看這顆恆星的質量大小已決定它的命運了。

白矮星(white dwarf)行星狀星雲NGC2440，中央亮點為熾熱的白矮星。如果以小恆星來說的話，當質量到達謙卓席卡極限（chandrasekhar limits)時，也就是相當於太陽質量的1.4倍時，此恆星會縮塌成質量不小但直徑很小的白矮星，但它的能量還是足以讓他苟活幾十億年，當能量完全的耗盡時，就變成了"棕矮星(brown dwarf)，此時的它只能算是一顆大石頭了，孤拎拎飄遊在無垠的宇宙。

(註)行星狀星雲 (Planetary Nebula) 是中等質量恆星死亡時表面拋射來的物質，恆星的核心壓縮成為熾熱但暗淡的天體，最後更演化成白矮星。行星狀星雲的外貌千變萬化，很可能決定於恆星爆炸前的質量分佈。

超新星(supernova)當恆星夠大且質量大於太陽質量的1.4倍時，內部核心會完全聚變成鐵元素，此時的它無法再利用核融合來產生能量了，於是內部壓力就不夠去負荷自己的重量了，重力向內部壓擠的影響下，此時內部溫度會上升到絕對溫度五十億度，在此溫度和壓力下鐵原子核會被分解，成為氦原子核，而其中的電子會被質子吸入而成為中子。

同時，恆星表面外圍的物質因重力崩塌的影響，會以每秒數萬公里的速度向核心衝撞，當和堅硬如鑽的核心相遇時，重力崩潰會有一瞬間的"發呆"，然後由於反作用力的影響，從核心爆發出震撼人心的衝擊波向外激射。大量的微中子和衝擊波一起被釋出形成一股巨大的能量，當穿過此星球表面時，會帶動外圍物質以超乎想像的猛烈核爆向外大量爆發，而後這顆星球會發出相當於上百億個太陽光強度的光，大約持續數週左右，此為超新星。

中子星(neutron star)當超新星爆發後，此星體核心已完全是中子的天下了，外加外圍物質已被震飛了，就變成一顆名副其實的中子星了，它的密度之高讓人瞠目，光一個手指頭的大小就有幾千公斤重，也由於中子星太小而無法觀看到，不過因為中子星會週期的放出電波脈衝來，而成為脈動星(pulsars)。由於爆發事件的刺激，中子星會由原本緩慢的旋轉變為每秒一千轉的轉速發瘋似的自轉，位於巨蟹星雲中的一顆中子星就是一例，但它的轉速已收斂許多了。

理論上中子星擁有一層由重原子核構成的固體、結晶外殼；由中子、質子和電子構成的液體超導 (superconducting) 內層和可能存在固體核心。由於恆星輻射時失去轉動能量，脈沖星隨著年歲增長而轉得越來越慢，輻射能量亦減少，只能夠在一千蒂年內產生可量度的輻射。隨著自轉速度逐漸減慢，一些脈沖星的自轉會突然加快少許造成自轉突變 (glitch)。

黑洞(black hole)如果星球核心比超新星再大一些，譬如質量比太陽大四倍以上，那麼它的結局就會更為詭異.它也會像超新星一樣炸開，不過他不會以中子星的形態穩定下來.因為核心的質量太大了，也就是重力太大了，即使是已知最頑強的中子物質也無法抗拒進一步的壓縮，星球的核心會繼續的塌陷，無限制的塌陷，直到完全消失，但消失到哪裡去了？

預言黑洞『黑洞(black hole)』，這個名詞是由美國普林斯大學的物理學家惠勒(John Wheeler)在1969年所提出的，它原本的意思是"重力塌陷星體"。顧名思義，恆星就是因為承受不了自己的重量，遭到己身重力的反噬，無限制的塌縮而形成的星體。

愛因斯坦(Albert Einstein1879--1955)，一個誕生於德國的物理學家，他在1915年所完成的廣義相對論中，預言了神秘星體的存在，哪就是『黑洞』。愛因斯坦的廣義相對論是解釋時間與空間、重力的嶄新理論。十七世紀英國科學家牛頓所提倡的萬有引力定論，把時間和空間視為和物體截然不同的存在形式。但是愛因斯坦卻認為物體的存在，會使得時間和空間在周圍發生變化，如果此物質是相當大的話，那麼時空所發生的扭曲就能被觀測出來。

相對地，時空變化而引發的重力也會影響物體的運動。在廣義相對論發表後不久，一位德國數學家休華茲希特(KarlSchwarzs-child,1873-1916)發現愛因斯坦方程式的答案顯示出，如果物體集中於空間的某一"點"，此點的周圍便會形成一個具有奇特性質的球面，此球面的半徑稱為『休華茲希特半徑』，後來得知這個球面就是黑洞的介面。

但是休華茲希特並不認同宇宙中會有這種不可思議的球面存在，因為有極大質量的物質集中在一點的情況，實在令人無法置信。1913年，美國天文學家拉爾賽發現一顆詭異的星球「40 Eridani B」，這是一顆每立方公分之重量超過一千公斤的「白矮星」，這證實了 宇宙中存在著高密度質量的星球。1931年，印度裔天文物理學家詹德拉西卡(Subramanyan Chandrasekhar)發現白矮星的質量有一定的上限，如超過這個上限, 白矮星會進一步的崩塌。1939年，美國物理學家歐本海默(John Robert Oppenheimer1904--1967)提出中子星的質量如果超過一定的上限，就會無止盡的收縮，直到達一點為止，這也就是黑洞的預言。

黑洞的揭秘~~

黑洞既然是黑壓壓的一個星體，絲毫不發出一絲絲的光，哪天文學家們怎麼去觀測黑洞的存在呢? 沒關係，辦法是人想出來的，只要有耐心和時間，再隱密的東西，也會找出它蛛絲馬跡的時候。蘇俄天文物理學家柴爾多維基(YakovZeldovitch1914-1987)發現有大量的恆星是成對的----即是雙星系統(binary-star system) ---其中一顆伴星(較暗的稱之)繞著另一顆主星(較亮的稱之)運轉，顯然是作用在它們之間的重力驅使它們做旋轉運動的。

利用這樣的發現，如果其中一顆崩潰成了黑洞，那麼剩下的哪顆星還是會繼續繞著它做轉，因為這黑洞還是保有原本恆星崩潰前的質量，因此它還是會對另一顆星發生重力作用。令人納悶的就來啦！因為我們看不到這"顆"黑洞，所以我們看見恆星獨自的在繞圈圈，直覺反應認為這顆恆星是不是病啦！所以就要深入觀察它的病因。經判斷，既然我們沒看到另一顆引起這種運動--繞圈圈--的恆星，那有可能黑洞就是這顆繞圈圈恆星的伴星了。

在浩瀚宇宙中，在本銀河系距離地球八千光年的天鵝(Cygnus)星座中，發現一個符合上述情況的天體運動，就是一個名為"天鵝座X-1"的黑暗星體和伴星"HDE226868"。伴星"HDE226868"是一顆藍巨星，當它被光學天文望遠鏡觀測的時候，顯示出他在快速的擺盪，這表示他正受到鄰近物體的重力吸引，但是天文望遠鏡卻看不到這個鄰近物體，這暗示了這個鄰近物體可能就是個黑洞，但這還不足以證明哪就是黑洞。

進一步的線索來自對該黑暗物體質量的的估計，藍巨星是一顆又大又熱的恆星，所以這黑暗物體的質量也應該很大，經計算這個黑暗物體的質量大約是太陽質量的九倍以上，而且這個黑暗物體的半徑只有數十公里，根據物理學定律，這麼大而且質量哪麼緊密的物體，不可能是白矮星或是中子星，唯一可能的解釋是，只存在於理論上的產物--黑洞--被發現了。

其實還有一個可說明天鵝X-1是黑洞的有力證據，但這要犧牲掉藍巨星"HDE226868"了。天鵝座X-1的重力場很強，強到足以將藍巨星所有一切吞噬，不過天鵝座X-1不想他哪麼早死，要好好折磨他，就一點一滴的慢慢吸走它的生命力。當藍巨星的表面氣體被拖向黑洞"天鵝座X-1"時，藍巨星不知死期已近，還是故我的進行著環繞軌道的運動！就因為這樣，這些被X-1吸走的氣體就一邊環繞向中心一邊掉落到"陷阱"內，而環繞在X-1周圍的旋渦狀氣體則稱為「堆積圓盤 (accretion disk)」。

而哈勃太空望遠鏡終於在天鵝座XR-1觀察到黑洞周圍事象地平線 (Event Horizon) 的直接證據了。一直以來科學家都找不到確切的證據來證實黑洞的存在，現在透過的追蹤，在離事象地平線外約 1,000 英里的地方發現了證據，由於哈勃太空望遠鏡所觀測得的數據異常複雜，於是科學家門就以所得數據繪成動畫來呈現這種現象。

堆積圓盤和黑洞所噴出的輻射線，這些氣體越接近中心速度越快，也因為氣體互相摩擦的關係，越靠近中心溫度也就越高。圓盤外圍溫度為絕對溫度一千萬度，圓盤內側的溫度則更高，高到可以把氣體加熱到發出X射線，這股X射線能被哈伯太空望遠鏡(Hubble space telescope)的感應器偵測到，就這樣證明黑洞的證據又多一項了！這樣他應該逃不掉了吧！

就在1994年五月，哈伯太空望遠鏡又觀測到，距離地球五十萬光年遠的處女座，有一個名叫M87的星系，其中心潛伏著一個質量為太陽"二十億倍"的超大星體，而且其中還有一道很強的噴發物 ，這強烈顯示這有可能是一個超大"隻"的黑洞，不過還要等待進一步的觀察。

最近，天文學家觀察到RXJ1242-11星系中心的特大質量黑洞已經撕裂一顆恆星並吸收了它的一部分，從而首次為黑洞撕裂恆星提供強力證據。黑洞不能被看見或被直接探測到，但物質或者光線一旦陷入其中就不能逃逸。天文學家一般通過探測周圍的閃耀活動及或測量其附近星體的運轉速度去推斷黑洞的存在。物質陷入黑洞消失之前，其速度會被加速到接近光速。

近年來在RXJ1242-11星系中心探測到的X射線爆發是在星系中曾觀測到的最強烈X射線爆發之一。RXJ1242-11中心黑洞的質量是太陽的1億倍。被摧毀的恆星的質量與太陽接近。天文學家認為，從被摧毀的恆星逸出的氣體在被吞噬之前被加熱到數百萬攝氏度，所釋放出的能量與超新星爆發中星體爆炸所釋放的能量相當，產生明亮的X射線閃耀。據光燄的高度推算，該黑洞每10分鐘就吞噬了與一個地球相當的物體。天文學家估計該恆星的1％會被最終消耗或吸附掉。

這項對RXJ1242-11星系爆發X射線閃耀的觀測是結合運用美國NASA的錢德勒X射線觀測儀和歐洲太空總署的XMM-牛頓X射線觀測儀以及德國的倫琴衛星(ROSAT)。天文學家首先對倫琴衛星在1990年到1992年間拍攝到的RXJ1242-11星系中心的強力X射線爆發圖像進行了研究，當時是X射線閃耀處於最明亮的時期。

最近運用錢德勒和XMM－牛頓X射線儀重新進行觀測的時候，閃耀已經平靜了很多，其強度降低了200倍。錢德勒X射線儀的觀測結果表面該事件發生在星系中心黑洞潛伏的區域。XMM-牛頓X射線儀的光譜結果則顯示了黑洞的預期指紋。天文學家認為，這種觀測與一顆恆星被撕裂並被黑洞吞噬的機制相吻合，排除了該黑洞吞噬近似質量的氣泡或吞噬準星的可能性。那麼可怕又神秘的黑洞...會是到另一個宇宙的...捷徑嗎...

黑洞是本世紀最具挑戰性、也最讓人激動的科技課題，它屬於天文學范疇。近年來，有關黑洞的新理論不斷被提出。黑洞很容易讓人們望文生義地想像其是一個“大黑窟窿”，其實不然。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，能吸引周圍任何物質，無論哪種物質掉進去，都不能逃出。

微型黑洞-許多神秘現象都跟微型黑洞有關，對大多數人來說，可怕的黑洞是遙遠宇宙中的事，離我們還很遙遠。然而部分物理學家認為，其實宇宙黑洞的“小親戚”—微型黑洞在地球上無所不在，並已給人類帶來許多麻煩和災難。一些俄羅斯科學家認為地球上許多神秘現象都跟微型黑洞有關。一些科學家甚至懷疑，是太陽的能量通過黑洞傳到了地球的深處。

地球上有些事情無法解釋。如1999年，一名白俄羅斯青年在電梯內自燃，被燒死，但電梯的內壁卻完好無損。科學家指出，這一莫名其妙事件的罪魁禍首正是微型黑洞。有一種說法，每個人體內都有一個微型黑洞。當體外的微型黑洞“引爆”了體內的微型黑洞，便將產生熱量爆炸。人可以自燃，地球同樣也會，那就是火山爆發。火山爆發事前是很難預料的，這也導致人們認為火山專家很無用。

現在，有人提出了人造黑洞。這個設想最初是在20世紀80年代由加拿大不列顛哥倫比亞大學的威廉·昂魯教授提出的。他認為聲波在流體中的表現與光在黑洞中的表現非常相似，如果使流體的速度超過音速，那麼事實上就已經在該流體中建立了一個人造黑洞現象。2001年1月，英國聖安德魯大學著名理論物理科學家烏爾夫·利昂哈特宣布他和其他英國科研人員將在實驗室中制造出一個黑洞。然而，人們設想制造出來的人造黑洞由於缺乏足夠的引力，除了光線外，它們無法像真正的黑洞那樣“吞下周圍的所有東西”。

俄羅斯科學家大膽預言：50年后，具有巨大能量的“黑洞炸彈”將使如今人們聞之色變的原子彈相形見絀。一個原子核大小的黑洞，它的能量將超過一家核電站。為此，黑洞武器還被專門寫入了俄軍事教材。這本教科書的目錄包括：黑洞、火山現象與反物質歐頓（制造“黑洞炸彈”的反物質被科學家們稱做歐頓，一顆歐頓的質量相當於一顆原子的40倍）、歐頓與地球災難、黑洞與神秘事件等。

多數星系中心被懷疑有巨大黑洞潛藏，而黑洞周遭的神祕毀滅區域現在因為有了新方法探究，透露了其些許秘密。該項新的研究發現，這些巨大黑洞可能比科學家們先前認為的小，這可能有助於解決有關此些黑洞如何形成的問題。

科學家懷疑幾乎所有星系的中心皆隱藏有數百萬到數十億倍於咱們太陽質量的超巨大黑洞。科學家假設，環繞這些怪獸天體的極度光亮區域裡有著超熱物質急速奔騰，並衝進黑洞中。

不過，此些星系的中心區域通常相當小，因而看不清楚。儘管經歷數十年密切研究，絕大部分的結構及變化一直是個謎團。為了更瞭解此些區域，德國哥廷根大學(the University of Gottingen in Germany)的天體物理學家Wolfram Kollatschny及Matthias Zetzl密切地探究了自該區域散發出的光。

光以可見及不可見的各種波長出現。物質發出的光往往具有特定的波長，因而能揭露很多有關該物質的組成及活動狀態。此些研究人員分析了從37處星系發出的光，且在各個發射線(emission lines)的寬度上發現了一致的變差(variation)。這使得此些研究人員可以推斷，於星系中心區域環繞黑洞運行的氣體速度及該氣體內的紊流。

黑洞的直徑取決於質量，當達到銀河系中心一處具有約4百萬個太陽質量的超巨大黑洞時，科學家們推估其直徑約9300萬英里，約略是太陽與地球間的距離。利用開普勒運動定律(Kepler’s laws of motion)，此些研究人員從環繞黑洞運行的物質速度及距離，推斷了此些黑洞的質量。

令人好奇的是，他們發現此些黑洞的質量似乎比先前的估計小2到10倍。星系如何能形成如此巨大的黑洞，長久以來一直是科學家們困惑的問題。Kollatschny告訴SPACE.com：「對於了解星系的總體演變而言，先瞭解星系中心區域的演變是重要的。」【這些科學家的研究發表可詳見2011年2月17日版《自然》(Nature)雜誌】