丁源森 | 黑洞與鹹煎餅

宇宙初期原是空無一物，主要成分也就只有氫氣和氦氣而已。但是由於引力（就是地心引力的引力），這些簡單的氣體會慢慢聚集起來。這時候如果沒有相對應的抗力，萬事萬物就會因互相吸引而無止境的坍塌。這個過程會一直持續到星星的形成。而星星的形成，就是當氣體坍塌到了一定的程度時，氣體在壓縮中被誘發了“核聚變”。

核聚變是物理過程。在這過程中，小的元素會“合併”形成大的元素，就像買了一包棉花糖，我們可以取出多個棉花糖揉成任意的大小。

這裡重點來了，這個“揉”的過程常常會“掉渣”，而這些星星丟失部分的質量就會轉換成能量。這也是愛因斯坦那出名的方程E=mc^2，簡單來說，就是星星在揉“氫氣”的過程中“賣掉”了一點質量，然後“兌現”了一些新能量。而這新能量也是為什麼星星們（比如說太陽）之所以能發光的原因，同時這能量也暫停了星星自身氣體的坍塌。這就像把鹹煎餅的麵糰丟到油裡去炸，由於額外的熱量，所以鹹煎餅會發胖發脹。

當然了，星星能進行核聚變的原料是有限的。當能源耗盡“熄火”後，鹹煎餅再也沒有能量去抵禦引力的誘惑，星星內的氣體就會繼續坍塌。而這結局有兩個。質量較小的星星，本身的一些內在潛能其實還是可以hold得住的，這些星星就成為了所謂的白矮星。白矮星就像把木材燒完後的灰燼，這些灰燼會在持續很長的一段時間裡繼續在宇宙中發出微弱的光芒，直到餘溫慢慢褪去。但是一些質量較大的星星在熄火後是完全hold不住的。

星星引爆的結果是鏡像

在極速的坍塌下，這些星星被引爆了。爆炸中星星們擠出了之前通過核聚變生成的元素（大棉花糖），且在這爆炸的高熱中也加工生成了其他的元素。這就像鹹煎餅在被擠壓下，餡料被擠得到處都是。這就包含了我們呼吸的氧和地球組成的主要成分，比如鎂（magnesium）、硅（silicon）等等。同時星星的核心則坍塌成了黑洞（有的也成了“中子星”，不過這裡就不細分了）。星星引爆的結果是一個鏡像，往內一面是無底的黑洞深淵，但是往外的一面卻促成了一個更絢麗和終於擁有不同元素的宇宙，這些元素一部分後來就形成了地球。肯定的是，你、我和黑洞都是星星的孩子。而我們之所以研究黑洞其實也是在研究我們地球上的元素，乃至我們本身，到底從何而來，而我們將往哪裡去。

黑洞的研究和展望

既然黑洞不外乎是星星的殘骸，就不難估算在銀河系裡理應有上億個黑洞。那問題來了：它們都在哪裡呢？

黑洞確實是在天體物理中一直讓人比較一籌莫展的問題，畢竟黑洞最為人熟知的就是它的引力大到連光都逃不出去。既然黑洞本身不發光，所以是不可能被直接觀測的。儘管如此，側面研究和印證黑洞的方式還是有的。比如說，黑洞在形成後會依然吸積周圍（比如說鄰近的星星）的氣體。而這些氣體在被黑洞“吸魂大法”後會被加熱到非常高溫，並輻射出X-射線，這就是我們研究黑洞的主要途徑之一。通過探測X-射線，其實在引力波之前，就早已找到了二十來個黑洞。

這裡插個小細節。說了這麼多，我們只是聊到了個體星星坍塌成的黑洞，但除了這種不到數十個太陽質量的“恆星黑洞”外，每個星系的中心都有所謂的“超大質量黑洞”， 例如我們銀河系中心就有個比太陽重400百萬倍的黑洞（其發現就是今年的諾貝爾物理獎其中兩個得主得獎的工作）！與其把這種超大質量黑洞想像成是星星的殘骸，不如把每個星系的中心都想像成有個大型的“亂葬崗”是比較恰當的比喻（雖然它們的形成還沒有定論）。2019年照相拍到的是黑洞“亂葬崗”（約數十億倍太陽的質量），而2015年引力波探測到的是黑洞“殘骸”（30倍太陽質量），不能混為一談。簡單的說 2017 年諾貝爾物理學獎頒給了小黑洞，今年的諾貝爾獎頒給了大黑洞。

黑洞有星星“粉絲”

比起恆星黑洞，超大質量黑洞是比較好觀測的。所以對於它們的研究在這二三十年一直都是如火如荼，但是與之不同的是恆星黑洞的研究才剛剛起步。除了文章開頭說到的引力波，我們上幾期聊到的那個能同時追蹤數十億顆星星的Gaia探測器，也將產生巨大作用。雖然黑洞自己不發光，但往往有一些普通的星星“粉絲”伴隨它們。這有點像是在一個不開燈的探戈舞會里，只要其中一個舞伴是熒光的，即使另一個舞伴一身漆黑，我們也可以通過熒光舞伴的舞步英姿得知另一個人的存在。而伴隨著對於引力波的探索和對於銀河系大量星星的監控，恆星黑洞終於拉開帷幕，估計未來10年還會不斷刷屏，習慣就好。（作者再注：真是說時遲那時快，小夥伴們的臉書估計要被今年諾貝爾物理學獎刷屏了。）

最後要說的是，不說你不知道，一說可能就要嚇一跳了。很多天文數據是完全公開的，Gaia在往後幾年也會把那數億顆星星的具體“舞步”完全對外公開，意思是隻要你有足夠的物理知識，在家上網也可以找黑洞。

研究天體有用嗎？

現在又到本專欄固有的悶騷環節。常常有人問我：“天體研究有用嗎？”這問題我確實答不上來（注：就是拿諾貝爾拿到手軟），不過我覺得其他事情其實也挺沒用的。宇宙形成之初本來空無一物，而結局也會是如此。在遙遠的未來，當所有宇宙的能源都被耗盡後，剩下的就是無數黑洞和一些燭火殘存的白矮星。而那又有誰能定義何為有用呢？也許人類唯一能做的就是《三體》的那句“給歲月以文明”吧。

作者簡介：丁源森是吉隆坡中華獨中畢業生，2017年從美國哈佛大學畢業，2018年獲得美國NASA哈勃獎學金，現於美國普林斯頓高等研究院（IAS）研究天體物理。

本文英文版鏈接：Black holes and souffles

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