揭秘吸星大法

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天文小編給你講吸星大法，教科書不是武學秘籍，而是Nature論文；主人公不是任我行，而是神秘的黑洞...

類比是人類接觸新事物時的一種重要思維方式。然而類比也會使人們對新事物的理解造成曲解（先入為主）。

說到黑洞，直觀想到的就是下圖的樣子。

然而黑洞並不是幾何形狀上塌陷的“洞”，不是虛空，而是實實在在的致密天體，但卻對人類的探測手段隱形。

由於逃逸速度超過光速，人類無法探測到來自黑洞的電磁異塵餘生，給人形成的無底深淵的印象；然而隨著技術的進步，對黑洞的研究已經取得的長足的進步，並得到了下圖的模型。

Credit: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann

上圖對黑洞模型給出了詳細的說明，在此就不再贅述，後文我們一起來了解些更有趣的知識。

黑洞的分類

Credit: Wikipedia

超大質量黑洞：存在於星系中心，質量巨大。迄今所知最大的黑洞位於星系S5 0014+81的中心，質量約為太陽的400億倍。

中介質量黑洞：是質量超過恆星黑洞，但遠小於超大質量黑洞的一種黑洞。

恆星黑洞：大質量恆星（約20倍太陽質量）引力坍塌後所形成的黑洞，可以借由伽馬射線暴或超新星來發現它的蹤跡。已知最小質量的黑洞大約有3.8倍太陽質量。

微型黑洞：又稱作量子黑洞或者迷你黑洞。取名量子力學黑洞的原因是在這個尺度之下，量子力學的效應扮演非常重要的角色。微型黑洞的產生有可能是在大型強子對撞機內就可以觀測到的重要現象。

黑洞的形成

宇宙的演化，很大程度上就是

引力的遊戲

。而說到黑洞，它的方方面面都有引力的影子。

恆星黑洞的前身是大質量恆星。宇宙中無時無刻不在進行著下圖中的循環，並創造了宇宙中豐富的元素。

Credit: @jackmrhughes

星雲在引力作用下逐漸向內坍縮，引力勢能轉化成熱動能；原料充足的情況下，能量逐漸累積點燃氫聚變；主序星核聚變持續億萬年（質量越大壽命越短，質量增大2倍，壽命減為1/750），失去了熱核反應抵抗引力的冷恆星，再次踏上坍縮之路；不同質量的恆星會有不同的宿命。

主序星聚變壓力與引力平衡

Credit: colorado.edu

對於質量大於太陽質量3.2倍的坍縮核，由於沒有能夠對抗引力的斥力，核心坍塌將無限進行下去，從而形成“黑洞”。

而對於超大質量黑洞，其成因推測有二：1，由恆星黑洞逐漸吸積合並而成；2，當星雲質量足夠大時，直接跨越主序星階段形成黑洞。超大質量黑洞通常存在於星系核心，或許是恆星系形成的重要動力。

如何觀測黑洞

黑洞事件視界內，逃逸速度超過光速，導致任何已知的電磁異塵餘生都有去無回，因此人類無法直接觀測黑洞。但是天文學家們還是有很多曲線救國的方法。

吸積盤

黑洞的吸積盤由極高溫度的等離子體構成。高溫必然會形成異塵餘生，而吸積盤又位於視界之外，其異塵餘生就能被探測到。

根據計算分析，若中心天體為年輕的恆星或者原恆星，那麽吸積盤異塵餘生多半處於紅外區，而中子星及黑洞產生的吸積盤的異塵餘生多半處於光譜的X-射線頻段。

引力透鏡

黑洞通常質量巨大，在其引力場作用下，引力透鏡效應非常明顯。通過觀測計算可以得知黑洞所處的位置、質量等信息。

引力透鏡效果示意圖

上面動圖是兩個黑洞合並的模擬動畫。可以看到在巨大引力的作用下黑洞周邊天體的密度、亮度等發生了巨大變化。

潮汐撕裂事件(TDE)

接近黑洞的天體，並不會被黑洞一口吞掉，而是在巨大潮汐力的作用下被撕裂（部分足夠小的天體也有被直接吞掉的可能）。

雖然一顆恆星完全崩解看似無比壯觀，但這只是煙火秀的開始。恆星被撕裂後，殘骸逐漸從運行軌道上散落。由基礎軌道力學可知，殘骸中大約一半物質呈長條狀拋出黑洞周遭區域，另一半則向黑洞繞行成為吸積盤──物質逐漸注入黑洞的漩渦構造。當吸積盤物質墜入時，受重力與摩擦力推擠而加速至接近光速，並且加熱至大約25萬℃。典型的TDE會持續數星期到數個月，短暫照亮蟄伏隱形的黑洞，讓星系中每顆恆星都相形失色。