作者：游宗穎
今年4月10日，人們首次拍攝到黑洞的影像，在天文學中這是重要的一個里程碑。黑洞是一個質量極大的天體，就連光也無法逃離他的魔爪，它對我們而言既神秘又令人感到懼怕，現在就讓我們來深入的探索黑洞的真面目。
黑洞的興衰—恆星形成
想要了解黑洞，就要先知道黑洞的成因。黑洞是恆星死亡後的遺骸，但並非任何恆星皆能成為黑洞。恆星是由星雲因自身重力塌縮而形成，但恆星並不會無止境的塌縮，在塌縮的過程中，會產生大量的熱，當溫度到達一定的值，氫原子便會開始發生核融合反應形成氦，並產生大量能量向外輻射，向外膨脹的壓力會與自身的引力達成平衡，使恆星能穩定存在。而恆星可依質量由小到大可分為紅矮星、黃矮星與藍巨星。
質量越小的恆星，由於核融合反應不強，釋放的能量不大，因此壽命較長，發出的光較弱且呈現紅色，像是紅矮星，這類恆星的質量通常小於0.5個太陽質量；相反的，像是藍巨星這類大質量恆星，內部的核融合反應劇烈，會釋放大量能量，發出藍色的光，但是壽命卻短的多，它們通常大於8個太陽質量。
恆星衰亡
恆星內部在核融合時，氫會變成氦，其淨反應式為：
也就是4個氫融合成1個氦，物質數量是減少的，而每個氫原子與氦原子對核心向外產生壓力的貢獻是差不多的，因此恆星內部的壓力最後將無法與其引力抗衡開始收縮。但在收縮的同時，恆星內部的溫度將會升高，使核融合反應加劇，產生更多的能量向外傳遞，使亮度變大，同時恆星外層也向外膨脹且表面溫度下降。質量小的恆星在這個階段會漸漸膨脹，並將外層大氣拋出，最後中間留下的核心就是白矮星；質量大的恆星會變為紅超巨星，接著發生超新星爆炸（supernova），最後可能會形成中子星或黑洞。
中子星密度極大，但仍能穩定存在，是因為中子簡併壓力能與引力抗衡。然而當質量太大時，中子簡併壓力也將無法抵抗，一旦其半徑小於一個史瓦西半徑，就會無限制的收縮，最後縮成一點，黑洞變這麼誕生了。
黑洞後續發展
黑洞形成後，還能透過吸收其他的物質繼續增長，特別是周圍的氣體與塵埃，這也是大質量黑洞成長的主要過程。儘管黑洞質量會增大，它也有衰亡的一天，只是相較於恆星的一生，黑洞從生成到死亡所經歷的時間非常長久。霍金輻射（Hawking radiation）便是造成黑洞質量消逝的原因，霍金輻射簡單來說就是黑洞發出的黑體輻射。當黑洞的質量越大時，質量消逝的速率便越慢，要讓一般恆星死亡產生黑洞的質量完全消逝，需要花上1066年之久。
黑洞的構造
黑洞之所以被稱為「洞」，是因為它能將所有物質吸入，就像一個無底洞，然而事實上它是由一個質量極大的點，以及包覆在外的事件視界所構成，其外還有各種特殊構造。現在讓我們一一了解黑洞的構造：
奇異點 Singularity
黑洞的中心可能是一個質量極大、體積極小的點，這個點被稱為重力奇異點，或是時空奇異點。當物質靠近奇異點時，形狀會被拉長，最後消失在奇異點中。然而在黑洞外的觀測者看到的卻是，物體會隨著與黑洞距離越近、速度越慢，最終停在事件視界上。在奇異點中，包含廣義相對論與量子力學在內的物理定律將不再適用，而它又被事件視界包覆，因此奇異點僅能用理論推測，無法直接透過觀測確認它的存在。
事件視界 Event horizon
事件視界包覆在奇異點外，任何物質與能量一旦越過這個界限，在不轉動的黑洞中，此界限恰等於史瓦西半徑，其受到重力場的束縛將無法再離開此區域，就連速度最快的光也不例外，沒有任何光能夠從事件視界中發射出來，因此事件視界呈現為一顆黑色的球體。事件視界是對於遠在外面的觀測者的概念，事實上進入黑洞的物質並不會感受到自身正在進入事件視界，而在外的觀測者則永遠無法看到物質進入視界，這也是取名為事件視界的原因。
光子層 Photon sphere
雖然黑洞本身是黑的，但是在外高速環繞的物質以及噴流會釋放出光，在一般的情況下，光是直線前進的，然而受到黑洞強大重力場的影響，空間會被扭曲，光的行進路線也因此扭曲，就好比是行星繞著恆星，光子也會圍繞在黑洞外，形成一個軌道，這就是所謂的光子層，或是光子球。值得注意的是，光子層的半徑並不等於事件視界的半徑，儘管光進到光子層內的範圍，還是有可能逃離，若黑洞不會旋轉，則其光子圈的半徑為1.5個史瓦西半徑。
吸積盤 Accretion disk
極高溫的氣體與塵埃在黑洞外，以趨近光的速度環繞形成吸積盤，在圍繞的過程中，一些物質因為摩擦力而向內旋轉掉入視界，也有一部份物質脫離引力向外發射形成噴流，在圍繞時也會提高物質的溫度，發射出電磁輻射，包含X射線、可見光、紅外線、電波等。位在吸積盤上的氣體與塵埃，便是黑洞質量增加的食物來源。
最內穩定軌道 Innermost stable orbit
光要進到事件視界才會被吸入無法逃離，然而在吸積盤上的物質在事件視界外便會吸入，因此在吸積盤上看到的最內圈便是物質在環繞黑洞的最內穩定軌道，若在一個不旋轉的黑洞中，最內穩定軌道的半徑為3個史瓦西半徑，一般物質一旦進到這個區域將無法離開。
相對論性噴流 Relativistic jets
吸積盤上的物質快速旋轉時會產生磁場，其沿著黑洞的旋轉方向扭曲並向外發射，形成高能電漿噴流。形成這種相對論性噴流所需要的能量極大，因此科學家推測一部份噴流的能量可能來自黑洞本身的轉動。
黑洞的分類
雖然黑洞在一般人眼中都長得差不多，但其實黑洞深受著三個參數影響，分別是質量、角動量與電量，這三個參數足以決定黑洞長得如何，事實上黑洞也僅能由這三個參數所描述，不過在一般情況下自然生成的黑洞，皆為會自旋且帶電荷的黑洞，因此接下來將依黑洞質量多寡將他們分門別類。
超大質量黑洞
超大質量黑洞的質量由數十萬至數百億個太陽質量，在各大星系的中心都會有個超大質量黑洞，例如銀河系與M87都是如此。大多數超大質量黑洞是無法由恆星死亡後塌縮而成，主要是藉由吞噬其他天體，緩慢吸積逐漸增加自身質量。
中介質量黑洞
中介質量黑洞的質量介於數百至數萬個太陽質量，也就是介於恆星質量與中介質量黑洞之間，然而在宇宙中，已觀測到的中介質量黑洞為數不多，他們通常存在於球狀星系的中心。
恆星黑洞
中介質量黑洞的質量介於數百至數萬個太陽質量，也就是介於恆星質量與中介質量黑洞之間，然而在宇宙中，已觀測到的中介質量黑洞為數不多，他們通常存在於球狀星系的中心。
微型黑洞
微型黑洞又稱為量子黑洞，原因是在這種尺度的黑洞中，量子效應扮演重要的角色。其可能是在宇宙大爆炸時期，在高密度的環境下或相變的過程中產生的。
名詞解釋
中子簡併壓力
中子簡併壓力是來自包立不相容原理的力，也就是兩個基本粒子不能擁有相同的量子態。例如兩個在相同軌域的電子，其自旋方向必定相反。這種力量使物質被壓縮有一個極限，造就了中子星的存在。
史瓦西半徑 Schwarzschild radius
凡是具有質量的物質，其所能存在的體積都有下限，而這物質存在的最小半徑便是史瓦西半徑。史瓦西半徑可由以下的式子得到：
從這式子中可以看到史瓦西半徑只跟質量有關且成正比，質量越大，其史瓦西半徑也越大。
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