屋頂上的天文學家: 3. 黑洞怎麼長大的？

一般對黑洞的印象是引力非常強大，貪得無厭，沒有東西逃得過黑洞的引力，黑洞會把所有東西都吞食下去！不過真的是這樣嗎？

黑洞的想像圖。圖片來源：NASA/Goddard Space Flight Center/CI Lab

被餵大的黑洞

黑洞長大的速度是相當慢的，比較像是細嚼慢嚥的吃東西，不會一口氣吞掉一整顆恆星。而且絕大部分的恆星質量黑洞都是被餵大，並不是自己主動去爭搶食物。

以兩個水池為例，說明黑洞如何從伴星獲得質量，下圖中左邊水池代表黑洞，右邊水池代表繞黑洞運行的伴星，兩個水池之間有一水道相連。

兩個水池的剖面圖，水池之間有水道相連，左邊水池象徵黑洞，而右邊水池代表黑洞的伴星。右邊水池的水要如何移到左邊水池呢？第一種方式，右邊水池的水滿過水道；第二種方式是從右邊水池潑水過去。製圖：李昫岱

雖然左邊水池比右邊水池還要深，但是右邊水池的水並不會自然的流到左邊。黑洞也是一樣，即使黑洞的引力很強，不過並不一定會把伴星的物質吸過去。那麼什麼樣的情況右邊水池的水會流到左邊水池呢？

第一種方式是右邊水池的水滿到水道的高度，水就會從右邊水池流向左邊。黑洞和一顆小質量伴星的情況中，當小質量伴星演化到末期，伴星會膨脹成紅巨星，伴星膨脹後，物質就會自然地流向黑洞，就像水池裡的水滿過水道一樣。

第二種方式是從右邊水池潑水到左邊水池。這種情況會發生在黑洞和大質量伴星的系統，大質量伴星會發出強烈的恆星風，把物質吹向黑洞，這就像是從右邊水池潑水到左邊水池。

這兩種方式都是恆星質量黑洞長大的方式，黑洞並不會主動掠奪伴星的物質，而是被伴星餵大的！

慢條斯理而非狼吞虎嚥

前面提到的兩種黑洞長大的方式，伴星提供的物質並不會直接掉進黑洞，而是先在黑洞外圍形成吸積盤，再慢慢從吸積盤掉進進黑洞。

黑洞伴星的物質會先在黑洞周圍形成吸積盤，再慢慢掉入黑洞。影像來源：NASA/ESA

吸積盤上的物質其實並沒有那麼容易掉進黑洞，吸積盤就像土星環一樣，土星環上的物質也繞著土星運轉，它們只會繞著土星運行，而不會掉進土星。這也和太陽系裡的行星很類似，行星以圓形的軌道繞太陽運行，但是不會掉進太陽。那麼吸積盤上的物質要如何掉進黑洞？

以低軌道人造衛星為例子來說明，低軌道人造衛星原本繞著地球運行，但是受到上層稀薄大氣層的摩擦，速度會漸漸變慢，讓人造衛星慢慢靠近地球，最後掉入地球燒毀在地球大氣層裡。吸積盤上的物質跟人造衛星掉入地球類似，靠近黑洞吸積盤內側的物質繞黑洞的速度會比外側的物質快，因為速度不一樣所以會產生摩擦，物質之間的摩擦讓吸積盤上的物質轉速變慢，讓物質更靠近黑洞，最後掉進黑洞裡。吸積盤上的物質會因為摩擦而產生高溫，高溫的吸積盤甚至會發出強烈的X射線和伽瑪射線，所以科學家通常會用X射線和伽瑪射線望遠鏡去發現、尋找黑洞。