Page 10 - Science Focus (Issue 19)
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在 2019 年 4 月 10 日，一組科學家完成了壯舉：他們                   壓力降低，引力會令它進一步塌縮，這星體的密度將會變                                        ݴԊjලݸʔ݊ලЍٙ€ΪމҢࡁঐ޶Ԉ̴f                                 References  參考資料：
                                                                                                                                                                                     [1] European Southern Observatory. (2019, April 10). First Image of a
        成功拍到了黑洞有史以來的第一幅照片。這張得來不易的                             得極高，所產生的重力也自然大得驚人 — 這就是黑洞。修                                      ݴԊॎ༆f                                                    Black Hole. Retrieved from https://www.eso.org/public/images/
                                                                                                                                                                                        eso1907a/
        照片理所當然地佔據了全世界報紙的頭版，畢竟人類從來                             讀高中物理的同學可能記得逃逸速度（escape velocity）                                                                                      [2] Misner, C. W., Thorne, K. S., & Wheeler, J. A. (1973). Gravitation.
                                                                                                                                                                                        Princeton, NJ: Princeton University Press.
        也沒有想過自己能夠拍到黑洞，而且能夠把它廣傳。                               這個概念：黑洞的體積極小、質量極大，令逃逸速度比光速                                           先要澄清一件事情，黑洞本身是 100% 黑色的，因為黑                       [3] Lutz, O. (2019, April 19). How Scientists Captured the First Image
                                                              還要快，所以沒有東西能逃出黑洞 — 連光也不能。                                         洞本身的定義為「任何越過了事件視界的東西一律都不能                                of a Black Hole. Retrieved from https://www.jpl.nasa.gov/edu/
            照片中的黑洞是一個超大質量黑洞，質量是太陽的 24                                                                                          逃出黑洞」。我們在照片中看到的其實是圍繞著黑洞的物                                news/2019/4/19/how-scientists-captured-the-first-image-of-a-
                                                                                                                                                                                        black-hole/
        億倍，位於離地球 5300 萬光年的 M87 星系中心。                          現在讓我們看看幾個流言：                                                     質 — 一環即將要消失在事件視界的物質和光。而在照片中                           [4] The Event Horizon Telescope Collaboration. (2019). First M87
                                                                                                                                                                                        Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central
                                                                                                                               看到的橙色是人工加上去的，它表示了黑洞附近的輻射強                                Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters,
                                                                                                                                                                                        875(1). doi:10.3847/2041-8213/ab0e85.
                                                              ݴԊjԟੵලݸ๫˪݊͟ɓࢭૐჃᗝשᙲ̈Ըٙf                                           度：橙色部分代表較強的輻射，黑色部分則代表輻射較弱或                            [5] Traschen, J. (2000). An Introduction to Black Hole Evaporation.
                                                              ݴԊॎ༆f                                                            沒有輻射的地方 [4]。如前文所述，黑洞本身也會發出霍金                             arXiv. Retrieved from https://arxiv.org/pdf/gr-qc/0010055.pdf
                                                                                                                               輻射，但由於強度實在太弱了，所以我們在可見將來也不見                            Photo Credits 相片來源：
                                                                  那張了不起的照片並不是單憑一座望遠鏡拍攝出來的，                                                                                           The moon and the arc of the Milky Way: ESO/S. Guisard (www.eso.
                                                              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                                        得能夠觀測到黑洞釋放的任何輻射。                                      org/~sguisard)
                                                                                                                                                                                     Interacting Galaxies Group Arp 194: NASA, ESA, and the Hubble
                                                              照片疊合而成，那八座望遠鏡被合稱為「事件視界望遠鏡                                        ݴԊjɓ͇દආලݸ༁ࠦdЫٙԒ᜗ึ஗Ұකf                                 Heritage Team (STScI/AURA)

                                                              （Event Horizon Telescope/EHT）」[3]。對於要拍攝這                         ݴԊᗇྼf
                                                              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                                            這是因為一個稱為「意粉化（spaghettification）」的
        處女座梅西爾 87（M87）星系中心的黑洞                                 從黑洞發出的光。與其建立一座巨型的望遠鏡，研究團隊                                        過程，它是由黑洞所產生的引力梯度所造成的。由於重力場
        相片來源 : Event Horizon Telescope Collaboration [1]                                                                       強度的明顯差別，如果你是頭先掉進黑洞的話，你的頭所
                                                              決定在同一時間把多座望遠鏡對準黑洞，創造出一座極大
            首先我們要解答以下問題：到底黑洞是甚麼，又是怎樣                          的「虛擬」望遠鏡。這座望遠鏡的光圈就變成了當中兩座相                                       受的重力將會比腳所受的大得多。自然地，你的身體將會
        形成的呢？                                                 距最遠的望遠鏡之間的距離，也大概是接近地球的直徑！                                        向垂直方向被拉長，向水平方向被壓縮，這些潮汐力（tidal
                                                              這大大提升了望遠鏡的解像度，使我們可以拍攝到很遠很                                        forces）強得足以在一個人遠遠還未抵達黑洞中心之前就
        ᔊʧලݸ                                                  遠的天體。你現在看到的影像是在 2017 年 4 月其中四天，                                  把他分屍，所以你跌進黑洞之後可以說是必死無疑。（ 為安                                  PBS Space Time          MinutePhysics
                                                              從八個不同地方所收集的數據疊合而成的 [4]；它是由大量                                     全起見，《科言》編採團隊並不建議你親身掉進黑洞來驗證
            雖然科學家早於 18 世紀已經猜測到黑洞的存在，但                         數據以影像修復技術重組而成的一張照片。                                              這個流言。）
        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                             ݴԊjලݸ̥ึ൳Ը൳ɽf

        斯坦的相對論大概可以用 John Wheeler  的一句話優雅                      ݴԊॎ༆l                                                               ܝাj與黑洞相關的知識還有很多，希望這篇文章
        地總結：「時空告訴物質怎樣移動，物質告訴時空怎樣扭曲                                                                                                能令你對黑洞有更大的興趣吧！如果你想探索更
        （Space-time tells matter how to move; matter tells        你可能在想，黑洞只會吞噬物質 — 這也是科學家長久                                       多，網上有不少資源能提供更詳盡的資訊，比拙欄
        space-time how to curve）」[2]。                         以來所相信的，直到一天霍金先生的來臨……                                                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
            物質 會 令 時空 變 得 扭曲；在 黑 洞 事件 視界（event                    霍金教授其中一項最著名的發現是霍金輻射，也就是                                         狹義相對論，然後是廣義相對論。值得介紹的包

        horizon）的周圍，時空扭曲得甚至連光也不能逃逸。這發                         黑洞發出的一種輻射。的確，任何東西也不能逃出黑洞，但                                          括以下兩個 YouTube 頻 道：PBS Space Time  和
        生在一顆恆星塌縮至一定小的體積時，更準確地說，比史瓦                            是當時的物理學家卻不知道黑洞本身也會釋放輻射 [5]。霍                                        MinutePhysics。
        西半徑（Schwarzschild radius）      還要小的時候（這裡              金輻射背後的理論難以在此詳細解釋，大概可說是因為量
        M代表恆星的質量、c 是光速、G 是重力常數）。                              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
            讓我們從具體例子看看：如果我們的太陽是一個黑洞                           式。如果黑洞發出的輻射比吸收的多，那麼黑洞的質量就會

        的話，它的半徑就會約為 2.95 公里；相比之下，太陽現時的                        減少，最終會蒸發，因為 E = mc 這條著名的方程式提醒我
                                                                                          2
        半徑為 696,340 公里。事實上，因為太陽的質量相比下實                        們：質量和能量是等價的。
        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！                                            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 10         100  年計的時間，因此宇宙的歷史
            宇宙 裡 的 黑 洞 都 是 從 重 力 塌 縮（gravitational            （大概是 10 年的概念）相比之下只是九牛一毛。即使是
                                                                         10
        collapse）的過程形成的。在一顆瀕死的恆星裡面，較重的                        最快消失的黑洞，消失的時間也很難短於宇宙至今的整段
        元素會進行核聚變，令恆星的內部壓力降低；隨著恆星的                             歷史，那相對上仍然是一段很長的時間。
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