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没有东西逃得过黑洞的引力

2019-08-09 17:55

一般对黑洞的印象是引力非常强大,贪得无厌,没有东西逃得过黑洞的引力,黑洞会把所有东西都吞食下去!不过真的是这样吗?

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黑洞的想像图。图片来源:NASA/Goddard Space Flight Center/CI Lab

被喂大的黑洞

黑洞长大的速度是相当慢的,比较像是细嚼慢咽的吃东西,不会一口气吞掉一整颗恒星。而且绝大部分的恒星质量黑洞都是被喂大,并不是自己主动去争抢食物。

以两个水池为例,说明黑洞如何从伴星获得质量,下图中左边水池代表黑洞,右边水池代表绕黑洞运行的伴星,两个水池之间有一水道相连。

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两个水池的剖面图,水池之间有水道相连,左边水池象征黑洞,而右边水池代表黑洞的伴星。右边水池的水要如何移到左边水池呢?第一种方式,右边水池的水满过水道;第二种方式是从右边水池泼水过去。制图:李昫岱

虽然左边水池比右边水池还要深,但是右边水池的水并不会自然的流到左边。黑洞也是一样,即使黑洞的引力很强,不过并不一定会把伴星的物质吸过去。那么什么样的情况右边水池的水会流到左边水池呢?

第一种方式是右边水池的水满到水道的高度,水就会从右边水池流向左边。黑洞和一颗小质量伴星的情况中,当小质量伴星演化到末期,伴星会膨胀成红巨星,伴星膨胀后,物质就会自然地流向黑洞,就像水池里的水满过水道一样。

第二种方式是从右边水池泼水到左边水池。这种情况会发生在黑洞和大质量伴星的系统,大质量伴星会发出强烈的恒星风,把物质吹向黑洞,这就像是从右边水池泼水到左边水池。

这两种方式都是恒星质量黑洞长大的方式,黑洞并不会主动掠夺伴星的物质,而是被伴星喂大的!

慢条斯理而非狼吞虎咽

前面提到的两种黑洞长大的方式,伴星提供的物质并不会直接掉进黑洞,而是先在黑洞外围形成吸积盘,再慢慢从吸积盘掉进进黑洞。

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黑洞伴星的物质会先在黑洞周围形成吸积盘,再慢慢掉入黑洞。影像来源:NASA/ESA

吸积盘上的物质其实并没有那么容易掉进黑洞,吸积盘就像土星环一样,土星环上的物质也绕着土星运转,它们只会绕着土星运行,而不会掉进土星。这也和太阳系里的行星很类似,行星以圆形的轨道绕太阳运行,但是不会掉进太阳。那么吸积盘上的物质要如何掉进黑洞?

以低轨道人造卫星为例子来说明,低轨道人造卫星原本绕着地球运行,但是受到上层稀薄大气层的摩擦,速度会渐渐变慢,让人造卫星慢慢靠近地球,最后掉入地球烧毁在地球大气层里。

吸积盘上的物质跟人造卫星掉入地球类似,靠近黑洞吸积盘内侧的物质绕黑洞的速度会比外侧的物质快,因为速度不一样所以会产生摩擦,物质之间的摩擦让吸积盘上的物质转速变慢,让物质更靠近黑洞,最后掉进黑洞里。

吸积盘上的物质会因为摩擦而产生高温,高温的吸积盘甚至会发出强烈的X射线和伽玛射线,所以科学家通常会用X射线和伽玛射线望远镜去发现、寻找黑洞。

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吸积盘上的物质愈靠近黑洞旋转的速度愈快,因为物质的速度不一样所以会产生摩擦,摩擦产生高温会让吸积盘发出X射线。制图:李昫岱

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