原創：鄭娟娟

　探尋黑洞的歷史

　　一顆成熟的蘋果掉落到地面，讓牛頓思考出萬有引力的存在，他發現引力與物質的質量之間存在著相關性，隨著質量增加，引力也會增大，要想逃離一個物體的引力，必須達到這個物體的逃逸速度。舉個例子，要擺脫地球的引力，進入太空，就必須以至少約11千米/秒的速度飛行，這個11千米/秒的速度，就是科學家通過相關方程式計算出的地球逃逸速度。

　　100年後，英國人約翰 米歇爾（John Michell）得出一個結論，如果一個天體的質量比太陽的質量要大得多，這個天體的逃逸速度甚至可以超過光速。也就是說，連光子也無法逃離這個天體的引力，於是，他給這樣的天體取了個名字，叫暗星（dark stars）。

　　1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，利用數學，愛因斯坦指出物體（引力場）會使其周圍的空間、時間發生彎曲。與其把引力看作一種力量，愛因斯坦把它看作是時間和空間的彎曲本身。一個質量巨大的物體，例如太陽，會讓時空產生凹陷，使得它附近的物體，例如太陽系中的行星，沿著它附近彎曲的路徑運行。

圖片說明：網狀格表示太陽產生的引力場，黃色實線表示光線的實際路徑，黃色虛線表示從地球上看視覺所認為的路徑。產生的這種位置偏差，正是因為太陽強大的引力場，彎曲了時空，因而光線會沿著彎曲的時空前進。　　圖片來自：http://basicknowledge101.com

愛因斯坦相對論提出一個月後，德國的物理學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）很快提出了史瓦西度規（Schwarzschild metric），又稱史瓦西外解，它是針對廣義相對論的核心方程（即愛因斯坦場方程）得出的解。根據這個史瓦西度規，科學家們可以得到一個結論，太空中某些區域的時空能夠變得無比彎曲，以至於會產生一個任何物體都無法逃離的引力井。

圖片說明：根據史瓦西度規描述的引力井，紅色圈表示視界，最下方的點為奇點。

圖片來自：http://casa.colorado.edu

直到1967年，在紐約的一次學術會議上，物理學家約翰 惠勒（John Wheeler）提出了黑洞的概念。

如何尋找黑洞？

　　在恆星形成的過程中，引力會持續擠壓恆星的內部物質，直到恆星的內部壓力大到與引力相抗衡的情況下停止。如果恆星的內部壓力無法阻止引力的擠壓作用，那麼最終就會形成黑洞。

　　在上一篇中，我們提到了大質量恆星的生命終結時，會產生超新星爆發，繼而在引力的影響下持續塌縮，最終形成黑洞。除此之外，科學家們相信，還有一些黑洞是在早期宇宙，例如大爆炸之後的數十億年間，就已經形成了。

　　目前，一個黑洞可以具有多大的質量沒有一個上限，例如一些特大質量黑洞可以達到10億倍的太陽質量。根據廣義相對論，黑洞的質量也沒有最小值，不過量子理論卻認為並非如此。總之呢，黑洞會通過不斷吞噬它附近的物質變得越來越大，小型黑洞從它的伴星吸積物質，大型黑洞則會把任何靠近它的物質吞噬掉。

　　在探秘黑洞系列之一中，我們也談到了吸積現象，當恆星、氣體，或其他物質靠近黑洞時，它們就會圍繞黑洞快速旋轉，在黑洞外部形成一個扁平的盤狀物，被稱為「吸積盤」（accretion disk）。黑洞巨大的引力使得盤中的物質沿著螺旋線向黑洞中下落，在被黑洞吞噬之前，高速旋轉的物質失去能量釋放出大量輻射，包括X射線和其他類型的電磁輻射。因此，科學家們就通過觀測這種吸積現象尋找黑洞的身影。

　　正是通過這個方法，在1971年，天文學家發現了代號為天鵝座X-1（Cygnus X-1）的黑洞。這個黑洞是作為一個雙星系統的一部分被發現的，天文學家們在觀測天鵝座時，發現有一個極其炙熱和明亮的恆星——藍超巨星，在一個看不見的對象附近，形成了吸積盤。這個雙星系統向外放射的X射線，並不是通常情況下藍超巨星所能夠放射出的程度。天文學家們通過計算藍超巨星移動的距離和速度，得出了這個看不見的物體的質量。結果是驚人的，儘管這個物體被壓縮到小於地球的體積內，它的質量卻是太陽的6倍多。

圖片說明：天鵝座X-1效果圖，左側天體中心為黑洞，環繞黑洞的是吸積盤，右側天體是藍超巨星，藍超巨星與黑洞間的物質橋表明黑洞正在吸積藍超巨星的物質，因而放射出大量射線。 圖片來自：http://oneminuteastronomer.com

　　現在，已經有越來越多的方法可以探測黑洞的身影。例如，視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）可以觀測銀河系的核心區域以及附近另一個星系M87中的黑洞，它的解析度已經足夠的高，可以對視界附近流動的氣體成像。視界是黑洞的邊界，對於經典黑洞來說，黑洞外的物質和輻射能通過視界進入黑洞內部，而黑洞內的任何物質和輻射都不能穿出視界，因此又稱視界為單向膜。

圖片說明：視界望遠鏡　　圖片來自：Event Horizon Telescope

科學家們還可以進行混響映射（reverberation mapping），通過用X射線望遠鏡尋找黑洞附近不同地點輻射之間的時差，來獲悉黑洞附近氣體和光子的運行軌道。

　　激光干涉引力波天文台，簡稱LIGO，力圖探測兩個黑洞的合併，因為當兩個黑洞融為一體時，會放射出引力輻射，又叫引力波。在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在。2016年2月11日，LIGO和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，首次探測到雙黑洞合併的引力波信號。

圖片說明：雙黑洞合併 來自：Forbes Welcome

　　除了吸積盤，還有黑洞風的存在，黑洞也會沿著它的旋轉軸向外噴射異常明亮的輻射。今年5月，天文學家在觀測天鵝座V404黑洞的過程中，發現了包含氫和氦的強風。這股黑洞風形成於吸積盤的外側，影響著吸積盤附近物質的積聚。由於風速很高，因此可以逃脫黑洞附近的引力。這些都成為科學家觀測、研究黑洞的重要對象。

圖片說明：黑洞風是怎麼吹的 來自：http://boingboing.net

很多懸而未決的問題

　　1974年，霍金提出，黑洞應當會向外輻射能量，這種輻射被稱為霍金輻射。

　　在整個宇宙中，物質與反物質不斷被產生出來。量子論認為，在物質與反物質相互消滅彼此之前，一個粒子會被拉進去，同時，另外一個會以霍金輻射的形式逃脫出來。

　　但是，由於黑洞會釋放霍金輻射，它就有可能隨著這種輻射慢慢消失，那麼，黑洞視界上的所有信息編碼最後會得出一個什麼樣的結論呢？有一天黑洞真的會消失嗎？又或者會一直存在於宇宙中？

　　有一種理論認為，霍金輻射中包含了上述所有的信息。當黑洞衰退時，它已經保存了被它吞噬的一切物質的所有信息，並將這些信息以霍金輻射的形式釋放到宇宙中去。

　　黑洞的存在，使科學家們可以在一個極端的引力場中測試廣義相對論。科學家們又將黑洞作為一個重要的機會，來回答粒子物理理論中最大的一個問題，為什麼量子力學與廣義相對論之間無法達成一致？

　　越過視界，我們就進入了黑洞最為黑暗的秘密空間，這個秘密空間，物理學界至今無解。科學家們無法解釋穿過視界前往奇點的過程中，物質到底會變成什麼樣。在黑洞內部，廣義相對論和量子力學彼此衝突。有的科學家提出假設，黑洞內部可能存在蟲洞，這些蟲洞可能通向其他的宇宙，也有可能會通向「白洞」。

　　不過，有時候，現實可能比幻想還要令人驚訝。

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