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黑洞解釋：它們如何形成、看起來像什麼，以及它們存在的證據
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重點
黑洞是一個引力強大的區域，任何東西，即使是光，一旦越過事件視界就無法逃脫。根據美國宇航局（NASA）的說法，大多數黑洞是由大質量垂死恆星的坍縮形成的，而最大的超大質量黑洞的起源仍然知之甚少。它們的存在已被2015年的引力波探測和2019年的直接圖像所確認。
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黑洞是空間中的區域，其中引力足夠強大，超過一定邊界後，即使是光也無法逃脫。這個邊界稱為事件視界，美國宇航局將其描述為逃脫所需速度超過光速的點。
黑洞如何形成
最常見的途徑是大質量恆星的死亡。根據美國宇航局的說法，質量超過20個太陽質量的恆星在耗盡其核心的核燃料後，會在自身重量下坍縮。一旦坍縮的核心超過大約三個太陽質量，沒有已知的力量能阻止坍縮，黑洞就會形成。
超大質量黑洞位於大星系的中心，質量在100,000至數十億個太陽質量之間，僅通過恆星坍縮很難解釋。美國宇航局指出，超大質量黑洞的起源知之甚少，儘管已知它們自星系生命的早期就存在了。
黑洞在形成後也會通過一種稱為吸積的過程吸入周圍的氣體和塵埃而增長，以及與其他黑洞合併。
黑洞的結構
美國宇航局對黑洞解剖學的描述列出了幾個不同的部分。奇點是中心的理論點，根據廣義相對論，物質在該點被壓縮至無限密度。圍繞它的是事件視界，即無法返回的點。
更遠處，下落的氣體和塵埃形成一個吸積盤，這是一個旋轉的結構，當它向內螺旋時會受熱，這是天文學家探測黑洞的主要方法之一。在黑洞附近，光可以在逃脫之前多次環繞運行，產生一個薄的、扭曲的環，稱為光子球。一些黑洞還會在盤上方產生十億度的粒子冠，以及射出成對的噴流，以接近光速的速度射出物質，根據美國宇航局，來自超大質量黑洞的噴流可延伸數十萬光年。
黑洞的類型
天文學家按質量對黑洞進行分類。恆星質量黑洞的質量範圍約為3至數十個太陽質量，分散在銀河系等星系中。超大質量黑洞支撐著大星系的中心，質量從100,000至數十億個太陽質量，美國宇航局指出，位於梅西耶87星系心臟的那個黑洞的質量超過60億個太陽質量。中等質量黑洞的質量範圍在100至超過10,000個太陽質量之間，已確認的例子很少；美國宇航局將2019年的合併事件GW190521稱為迄今為止該類別最令人信服的例子，該事件產生了一個142個太陽質量的黑洞。
| 類型 | 典型質量範圍 | 例子 |
|---|---|---|
| 恆星質量 | ~3至數十個太陽質量 | 分散在銀河系各地 |
| 中等質量 | 100至超過10,000個太陽質量 | 合併產物GW190521（142個太陽質量） |
| 超大質量 | 100,000至數十億個太陽質量 | M87*（超過60億個太陽質量） |
科學家如何證明黑洞是真實的
直接拍攝黑洞在通常意義上是不可能的，因為沒有光從事件視界內逃脫。相反，研究人員尋找間接效應，過去十年中的兩個里程碑式的結果使黑洞從理論預測變成了觀測現實。
第一次發生在2015年9月14日，當時美國的雙高級激光干涉儀引力波觀測臺（LIGO）探測器檢測到一個引力波信號，後來被命名為GW150914，根據Physics World對該發現的報告。該信號來自兩個黑洞，質量分別為太陽質量的36倍和29倍，它們合併成一個自旋黑洞，質量為62個太陽質量，距離大約13億光年。相當於3個太陽質量的差異已經作為引力波輻射掉了。該探測的統計顯著性超過5.1西格瑪，並確認了在其他事項中，引力波以光速傳播，正如愛因斯坦的廣義相對論所預測的那樣。
第二個里程碑出現在2019年4月10日，當時事件視界望遠鏡合作組織發布了黑洞輪廓的首張圖像，據麻省理工學院新聞報導。目標是位於M87星系中心的超大質量黑洞，距離地球5500萬光年，質量為65億個太陽，事件視界直徑大約400億公里。來自夏威夷和亞利桑那州到墨西哥、西班牙、智利和南極洲的八台地面射電望遠鏡協同工作作為單一虛擬儀器來捕獲圖像，該圖像顯示了一個明亮的發光氣體環圍繞著一個黑暗的中央「陰影」。
這個陰影是由事件視界對光的引力彎曲和捕捉造成的，它揭示了這些迷人物體本質的許多信息。
據麻省理工學院新聞報導，來自13個合作機構的200多名研究人員貢獻了2019年的結果，觀察到的陰影與廣義相對論的預測相符。
對周圍空間的引力效應
在黑洞附近，下落的物質螺旋形進入吸積盤，美國宇航局將其描述為「熱的、明亮的、快速旋轉的盤」——這是天文學家探測黑洞的主要方法之一，儘管黑洞本身不發出光。這些相同的引力效應彎曲了經過附近光的路徑，這就是為什麼在EHT圖像中看到的是發光的環而不是簡單的黑圓的原因。
常見問題
常見問題
- 有什麼能逃脫黑洞嗎？
- 沒有。美國宇航局將事件視界定義為逃脫速度超過光速的邊界，這意味著沒有任何東西，包括光，一旦越過該點就能逃脫。
- 黑洞如何形成？
- 根據美國宇航局的說法，恆星質量黑洞是在質量超過20個太陽質量的恆星耗盡核燃料且其核心（如果超過約3個太陽質量）在自身引力下坍縮時形成的。超大質量黑洞的起源不太清楚；美國宇航局指出這知之甚少，儘管已知這些物體自星系生命的早期就存在了。
- 黑洞真的曾經被拍過照嗎？
- 2019年4月，事件視界望遠鏡合作組織發布了首張顯示黑洞陰影和周圍發光氣體環的圖像，該圖像是針對位於M87星系中心的超大質量黑洞的，據麻省理工學院新聞報導。
- 黑洞合併的首個直接證據是什麼？
- 根據Physics World對該發現的報導，2015年9月14日，激光干涉儀引力波觀測臺（LIGO）探測到來自兩個黑洞的引力波，質量分別為36個和29個太陽質量，合併成一個62個太陽質量的黑洞，距離約13億光年。
- 已知最大黑洞類別有多大？
- 超大質量黑洞的質量範圍從約100,000至數十億個太陽質量，位於大星系的中心；根據美國宇航局，M87中的那個黑洞的質量超過60億個太陽質量。
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