what is 黑洞

甚麼是黑洞？
黑洞是一個大質量恆星死去後的殘骸，是一個重力極大的天體。
黑洞內任何物質都不能從裡面跑出來，甚至是光都不例外，所以是一顆渿黑的天體，因而得名為黑洞。

黑洞之始篇——黑洞的形成
當一顆質量相當大的星體的核能耗盡死亡時，恆星的殘骸可能會形成黑洞，而黑洞的形成是因為大質量的恆星在演化的未期都會發生超新星爆炸。
當恆星核的燃料耗盡，核反應停止，沒有任何力足以去抵抗引力，平衡態不再存在，這星體將全面塌縮，成為白矮星，這是其中一種致密態，這種是以泡利不相容原理，電子（費米子的一種）便產生出一種巨大的內部量子壓力，阻止了粒子繼續壓縮；
根據推算，白矮星不能支持大於太陽1.4倍（原恆星質量為太陽質量的十倍）的質量，如果大於這臨界值，泡利不相容原理所產生的排斥力已不能再抵抗引力，恆星便可以違背泡利不相容原理繼續壓縮下去，形成中子星——以中子之間的電磁力來阻止收縮；
但若超新星爆炸後殘骸的總質量大於三倍太陽的質量，那麼連中子之間的電磁壓力也不能平衡重力，星體將塌縮至它的重力半徑範圍之內。
這時，引力之大足以使一切粒子，都被引回星體本身，化為體積為零的點——奇點，再也不能逃脫。
有些黑洞是在宇宙形成時亦跟著形成的，這些黑洞稱為原初黑洞，這些黑洞的質量可以很低，在黑洞之消逝篇會向大家解釋。

黑洞之結構篇——黑洞的邊界和內部空間
當一個黑洞形成後，塌縮還會進行下去，所有物質會無可避免，所有質量將集中在一個體積為零的質點，稱為奇點。
黑洞的表面層稱為事件穹界（視界），而這表面層和中心奇點的距離就是史瓦西半徑。
任何物質要從黑洞的史瓦西半徑跑到外面去，它的逃離速度便要大於光速。但根據狹義相對論，光速是速度的極限。
重力龐大得連光線也逃不出去，光線和任何物質都只能從視界外部進入其內部，而無法從裡邊逸出。
這個視界的裡邊就是黑洞，所以視界便是黑洞大小的邊界象徵。

黑洞之種類篇——黑洞無毛？
目前公認的理論認為，黑洞只有三個物理量有意義：質量、電荷、角動量（轉速）。
也就是說：對於一個黑洞，一旦這三個物理量確定下來了，這個黑洞的特性也就確定了，這稱為黑洞的無毛定理。
由於黑洞一定有質量，所以可造成不同類形黑洞的因素只有電荷和角動量，黑洞因而可以只分為四類：
沒有旋轉和沒有電荷的黑洞：史瓦西黑洞，這是一種理想化的黑洞，實際上應該沒甚麼可能會出現；
有旋轉但沒有電荷的黑洞：克爾黑洞，這種黑洞應該最為普遍，因為星體的收縮會加速旋轉，而大部分星體都會自轉，所以會自轉的黑洞也應該也很多；
沒有旋轉但有電荷的黑洞：帶電黑洞，雖然黑洞保留部分原恆星電荷，但由於黑洞可以在很短的時間裡捕獲足夠另一電荷的粒子而成為電中性，所以一個這種黑洞的電量亦小至可以完全忽略其天體物理效應；
有旋轉和電荷的黑洞：克爾－紐曼黑洞，由於電荷的影響極微，所以它亦可看作克爾黑洞來處理。

黑洞之消逝篇——黑洞會蒸發
因為宇宙的擴張，溫度便會下降，根據熱力學，溫度較高的物體的能量會流向溫度較低的物體。
由於黑洞也有溫度，根據量子力學的測不準原理，黑洞的質量會慢慢地以霍金輻射的形式離開黑洞，黑洞便會縮小和減少質量，所以當黑洞中的所有物質都離開了黑洞後，黑洞便會消失。
以現今的宇宙整體溫度來說，只有質量小於月球的黑洞才能散失能量，而其他黑洞都是在吸收宇宙的能量而增大自己的尺度。

黑洞之死亡篇——黑洞的消失
黑洞蒸發到後期會加速進行，以至於在一次像是猛烈的放射後消失殆盡。
黑洞的其中一個性質是溫度和質量成反比。
當黑洞的質量去到小行星那麼低時，溫度便有6000度，並放出可見光；
當黑洞的質量去到十億噸（大約為一座山的質量）時，大小只有一個質子般，溫度便高於10^12度，這時的輻射便是由伽瑪射線光子和大質量基本粒子混合組成；
當黑洞的質量去到很低時，黑洞便會以劇烈的爆發來了結自己的生命，而它在最後0.1秒裡釋放的能量相當於一百萬顆百萬噸級氫彈。

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黑洞是一個時空的黑暗區，由一些質量頗大的星體經重力塌縮後所剩餘的東西，是一個重力極大的天體。視界內任何物質都不能從裡面跑來，甚至是光都不例外，所以是一顆渿黑的天體，因而得名為黑洞。因為無法從可見光這途徑看到黑洞，所以只能以被黑洞吸引掉落其上的物質所釋放的輻射來確定它們的存在。
黑洞


黑洞的形成
當一顆質量相當大的星體的核能耗盡後（巨大的恆星：質量是太陽質量的八倍以上）死亡時，恆星的殘骸可能會形成黑洞。而黑洞的形成是因為大質量的恆星在演化的未期都會發生超新星爆炸，沒有輻射壓力去抵抗重力，平衡態不再存在，這星體將全面塌縮，成為中子星。若其中子星的總質量大於三倍太陽的質量，那麼連中子簡併氣體壓力也不能平衡重力，星體將塌縮至它的重力半徑範圍之內。這時，引力之大足以使一切粒子，都被引回星體本身，不能逃脫。


黑洞的界限
當一個黑洞形成後，塌縮還會進行下去，所有物質會無可避免，所有質量將集中在一個非常細小的質點，稱為奇點。黑洞的表面層稱為事件穹界。而這表面層和中心奇點的距離就是史瓦半徑。任何物質要從黑洞的史瓦半徑跑到外面去，它的逃離速度便要大於光速。但根據狹義相對論，光速是速度的極限。重力龐大得連光線也逃不出去，這個連光線也逃不出去的面，稱為事相面。光線和任何物質都只能從事相面外部進入其內部，而無法從裡邊逸出。這個事相面的裡邊就是黑洞。


探索的黑洞
黑洞不發光，所以是不可能用天文望遠鏡規測得到的。但根據理論，當周圍的物質被吸引時，就會透露出黑洞的存在。如果一對雙星中的伴星是黑洞，那麼主星的物質被吸引向黑洞而形成一個吸積環。當吸積環的物質被吸入黑洞時，因摩擦而引起高溫，而放出Ｘ光線。於是我們就能將重點放於Ｘ射線密近雙星上。

黑洞是一類密度極高的星體。由於它周圍存在巨大的引力場，所有經過附近的物質均被吸進去，即使光也不能逃脫，同樣，處於黑洞裡的物體也不能逃出黑洞。我們知道，地球上的物體若獲得很大的初始速度，便可脫離地球的引力而飛到太空，如果初始速度足夠大，還可以脫離太陽的引力而逃出太陽系，而人類用火箭發射衛星或太空船便是利用了此原理。物體逃離地球的最小初始速度是由地球的質量和半徑決定的，如果地球被壓縮成一個很小的球，當其半徑小於某一臨界值時，對周圍物體的引力便會變得非常之大，即使光這種在宇宙中傳播速度最快的波動也會被地球吸住而不得逃走，這時地球便變成了一個黑洞。

按照恆星演化理論，黑洞是恆星演化的最後階段，即是「死亡」了的恆星。由於黑洞不會放射出物質或輻射，我們不能直接觀察到黑洞。但是黑洞可以與鄰近的恆星構成雙星系統，從地球上看來，那可見的恆星 (伴星) 便好像是與一個看不見的天體不停地大跳華爾滋 (見圖)，從它運動的程度可推算出那看不見天體的質量，如果那天體的質量非常龐大，便很有可能是一個黑洞。此外，黑洞的巨大引力使伴星的氣體物質以螺旋軌道衝進黑洞，由於被急速壓縮，物質的溫度變得很高，Χ射線和伽瑪射線從而產生，在地球上觀察這些射線，便可找到黑洞存在的證據。

黑洞是根據現代的物理理論和天文學理論，所預言的在宇宙空間中存在的一種天體區域。黑洞是由一個質量相當大的天體，在核能耗盡死亡後發生引力塌縮後形成。根據牛頓萬有引力定理,由於黑洞的第一宇宙速度過大連光也逃逸不出來,故名黑洞.在此區域內的萬有引力非常強大，任何物質都不可能從此區域內逃逸出去，甚至光線都被它強大的引力拉回，因此黑洞不會發光，不能用天文望遠鏡看到，是黑漆漆的天體，但天文學家可藉觀察黑洞周圍物質被吸引時的情況，找出黑洞位置。
當一個巨大的恆星(質量是太陽質量的8倍以上)死亡時，恆星的殘骸可能會形成黑洞。而黑洞的形成是因為大質量的恆星在演化的未期都會發生超新星爆炸，引力的坍縮，大到連中子星這樣極為緊密的結構都支撐不住，星體就會繼續收縮下去，直到成為無法想像的緊密成為一點，這就是「黑洞」。黑洞所包含的物質緊密，產生的重力也強得無法想像，強到連光線都跑不出來，因此而得名。任何東西一旦掉到黑洞，便被分解、壓縮而成為黑洞的一部分。

而黑洞的概念是由愛因斯坦廣義相對論所推導出來的結論：一個核反應完全停止的星體，無力頂住萬有引力而坍縮；當原子被壓破時，就會變成白矮星，而恆星量較大時，則還會敲開原子核，變成擠成一團、密度更大百萬倍的中子星；如果坍縮的恆星質量更大時，則坍縮還會進行下去，所有物質會無可避免、永遠坍縮下去，所有質量將集中在一個沒有大小的「奇異點」(singularity)上。

奇異點周圍的重力也特別大，在某個範圍以內，重力龐大得連光線也逃不出去。這個連光線也逃不出去的面，稱為事相面（event horizon)。光線和任何物質都只能從事相面外部進入其內部，而無法從裡邊逸出。這個事相面的裡邊就是黑洞。黑洞是個極為單純的星體，只包括位於中央的奇異點和圍繞異點的事相面。事相面內除了奇異點之外，連一個原子也沒有。黑洞與黑洞之間的區別，只能從質量、自旋角度動量（spin angulaq momentum)及電荷三個性質來判斷。

黑洞不發光，就不可能發現它的存在的證據了！其實不然；例如當周圍的物質被吸引時，卻會透露出黑洞的存在。圍繞黑洞的雲氣會以極高的速度運動，若偵測到氣體圍繞著非常小的區域高速運動，我們便能推測該區域可能有個黑洞。而當物質被吸入黑洞時，因這些氣體由質子及電子的電漿組成，彼此摩擦而成高溫狀態，便會放出x及r射光，於是我們便可察覺黑洞的存在。
黑洞是否真的能吸進所有東西！

黑洞是超巨星生命的終點. 超巨星核融合不斷失去質量, 直到剩餘的質量無法產生足夠的重力來束縛它自己龐大的容量時, 超新星爆炸便炫目的結束了恆星的一生. 如果這個巨星著質量夠重, 超新星爆炸後便發生重力坍陷, 形成中子星或黑洞.
一個光亮的恆星為什麼會變成黑洞？答案是恆星衰老了。恆星的成份多為氫氣，也就是讓興登堡號這樣的飛船飄浮不墜的輕質物質。氫就是讓恆星發光的燃料。每個恆星的內部都在進行核融合反應，有點像連續引爆氫彈那樣，將氫氣轉化為能量：光與熱。恆星在「燃燒」氫氣時，必得面對一場拉鋸戰：一方面恆星內部的熱壓力會促使恆星擴張，就像把氣球吹大那樣：另一方面，恆星本身重力的拉扯力又促使恆星縮回來。因此恆星在發熱時，這場拉鋸戰是陷於膠著狀態的，恆星的大小也不會起變化。但一旦核反應停止，恆星就得對重力讓步，因而整個崩潰下來，就像氣球洩了氣一樣。

不過恆星年紀一大就開始變冷。由於沒有了熱能，這個老邁的龐然大物無法產生足夠的內部壓力以抵抗重力的收縮，因此開始崩潰並縮小。但恆星雖然在縮小，卻沒有損失任何物質;氫仍舊在，只是被極力壓縮而已。這意味著恆星所有的質量都向中心趨進許多，也就是將重力集中於一個小地方。小型的恆星會縮小成所謂的「白矮星」，與地球大小相當，但已停止核融合的恆星。較大的恆星則在一抹耀眼的華光，所謂的「超新星」爆炸中自我毀滅殆盡，原來的質量幾乎被轟得一點不剩。

但如果恆星的剩餘質量夠大(約達我們的太陽質量的一點四倍)那麼這些僅存的物質可能會變成黑洞。以下圖為例，這個恆星被壓縮到直徑只有一英哩。此時表面上的重力強得連它自己的光都無法逃脫。那個天體還在原地，再也看不到它了。任何接近它的物體都會被吸進去，然後消逝在「黑洞」中。