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。


吸積盤上的物質愈靠近黑洞旋轉的速度愈快,因為物質的速度不一樣所以會產生摩擦,摩擦產生高溫會讓吸積盤發出X射線。製圖:李昫岱

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