具有三個層的黑洞是什麼樣的，它如何撕裂遙遠星系中的恆星？

黑洞對於很多人來說，它們都是宇宙中最迷人的物體之一，千萬不要被這個名字所欺騙，它自然不會是一個空洞。相反，黑洞是一個強大的引力場，看似沒有任何東西，但該區域里卻有大量物質，只要距離達到足夠的範圍，如此密集而龐大的它，會讓光線也無法逃脫。大多數黑洞都是由超新星爆炸中死亡的大型恆星的殘餘物所形成的，簡而言之，大型恆星的結束往往意味著黑洞的開端；而恆星之間的碰撞也可能會導致更大黑洞的產生，當黑洞和中子星碰撞時會產生強大的爆炸，從而產生另一個黑洞。那麼，黑洞到底是什麼，是否也有自己的分類標籤？

黑洞的標準定義和分類方式

長久以來，黑洞激發了人們的想像力和挑戰力。科學家們將理論和觀察結合，現在終於對這些物體及其形成方式有了更多了解，甚至包括它們如何影響周圍環境。 黑洞就像一個非常密集的物質袋，擁有令人難以置信的龐大質量和微小的體積，並使得時空結構大大扭曲。從流浪的恆星到光線的光子，任何過於接近的東西都會被它捕獲。這其中的大多數黑洞，都是大質量恆星的凝聚殘餘物，其坍塌的核心存在於爆炸性超新星之後。然而，黑洞家族也有幾個分支，從與人類細胞相同的微小結構到成長為強大的巨人，可以比太陽大數十億倍。根據黑洞的形成時間和形成原因，它被分為了原始黑洞、中質黑洞、恆星質量黑洞，以及超大質量黑洞。

在現代天體物理學中有一個重要領域，那就是確定超大質量黑洞形成原因和質量來源。原始黑洞由早期宇宙原始物質凝結而成，誕生於大爆炸後不久。雖然可能存在質量較大的原始黑洞，但它們中的大多數都非常微小；而質量範圍在恆星和超大質量黑洞之間的黑洞，則被稱為中質黑洞，顧名思義是一種是中等質量的黑洞，相當於數百至數十萬個太陽的質量，到目前為止尚未發現它們的蹤跡；恆星質量黑洞是最常見的黑洞，它是超新星的結果，意味著巨星的災難性死亡。其中大多恆星質量黑洞的質量能達到太陽的5到10倍，其中會有個別黑洞質量能夠高達太陽的100倍左右；而超大質量黑洞則往往位於星系的中心，並且具有數百萬、乃至數十億太陽質量的質量。

具有三個「層」的黑洞是什麼樣的

黑洞從裡到外分別是奇點、內部事件視界和外部。奇點指的是物體質量所在黑洞的內部區域，它是集中黑洞質量時空中的單點；而事件視界則位於黑洞口周圍的邊界，只要有粒子穿過這個區域便無法離開，並且該範圍內的重力是處於恆定狀態的。雖然科學家們無法直接看到黑洞，但卻可以看到宇宙中的其他恆星等物體：當灰層和氣體被吸入到緻密的生物體，便會散發出強大的輻射。即使當物質被拉向黑洞的時候是從事件視界中跳出來並被向外推，科學家們依然可以根據其產生的明亮的材料射流，遠距離觀看這些強大的噴氣機。

隨著時間的推移和探索技術的發展，科學家們終於對銀河系中心的黑洞射手座A *進行了觀察，在它周圍有一股涼爽的氣體光環。由於它比預期的更加安靜，研究人員才得以前所未有地對黑洞周圍的環境進行了觀察，而該探索過程中所使用的事件地平線望遠鏡，是一個由八個地面射電望遠鏡組成的行星規模陣列，通過國際合作拍攝了M87星系中心的超大質量黑洞及其陰影。儘管科學家們逐漸理解了黑洞基本的形成過程，但關於黑洞仍有一個困擾已久的謎團，它們似乎存在於兩個完全不同的尺度上。

在宇宙中，這些「恆星質量」級別的黑洞，一般是太陽質量的10到24倍左右。當另一顆恆星靠近它時，周圍的物質都會被黑洞的引力所吸引，並在這個過程中產生X射線。並且，科學家估計，僅銀河系就有多達一千萬到十億個這樣的黑洞，但它們孤立的存在卻導致了無法探測到。而被稱為「超大質量」黑洞的巨人，幾乎都位於所有大型星系的中心，包括我們自己的銀河系。附近恆星和天然氣體的變化，都可供天文學家觀察這些黑洞。而形成這些超大質量黑洞的一種可能機制，便是緊湊星團中恆星碰撞的鏈式反應，該過程可以導致極大質量恆星的積累，而後坍縮形成中質黑洞，當星團下沉到星系的中心，中間質量黑洞發生合併後形成超大質量黑洞。

黑洞活動的關鍵可能是磁場

在科學家們對天鵝座A核心的定義中，包括塵土飛揚的圓環狀環境被稱為圓環，以及從中心發射的噴氣式飛機，磁場捕獲環面中的灰塵。通過將灰塵限制在環面，並和黑洞保持足夠接近的距離以便被吞噬，這些磁場可以幫助隱藏銀河系核心中的黑洞。天鵝座A兩個相互疊加的圖像，顯示了星系噴射的無線電輻射。在像我們銀河系一樣的靜止星系中，是沒有這樣的噴流的，這大概與磁場有關。簡而言之，通過SOFIA的探測數據可以表明，在活動星系 Cygnus A 的中心附近，磁場在捕獲並限制灰塵的同時，還會將物質輸送到其中心的超大質量黑洞中。

雖然眾所周知，即使是天文科學家也難以直接觀察到天體磁場，但卻可以通過偏振光來研究星系中的磁場。雖然光學波長太短，無線電波太長，無法直接觀察環面。但SOFIA觀測到的紅外波長卻恰到好處，可以讓科學家們直接瞄準、並隔離塵埃環。SOFIA的高解析度機載寬頻相機（HAWC ），對定向塵埃顆粒的紅外發射具有極高的敏感性。科學家們也通過事實證明，它地殼觀察到了塵埃環狀物在主動星系現象中的作用，這是研究磁場和測試統一模型基本預測的有力技術。隨後，研究人員又將這些結果與之前的檔案數據相結合，意外發現這個強大的活躍星系，及其標誌性的大型噴氣式飛機，使用強磁場的超大質量黑洞，能夠限制朦朧的環狀天線。

黑洞如何撕裂遙遠星系中的恆星

黑洞有兩個最基本屬性，關於它的質量和旋轉。相對而言，天文學家更容易確定黑洞的質量，但要準確知道它的旋轉卻是極其困難的。科學家需要觀察其X射線亮度的速度和規律變化，以確定了恆星質量黑洞的旋轉速率。2014年11月，首次發現ASASSN-14li為光學爆發，並使多個望遠鏡研究了黑洞如何撕裂遙遠星系中的恆星。傳統上難以測量的屬性，便是恆星碎片向黑洞旋轉時發出的X射線，而後，科學家們更是利用這次「潮汐破壞」事件，測量了黑洞的旋轉。在下圖中，顯示的是一顆超大質量黑洞的周圍區域，一顆恆星由於離得太近，而被黑洞極端的引力所破壞。

被拉成的X射線的明亮圓盤，是這顆恆星的一些殘骸，在這個邊界之外，包括光在內的任何東西都無法逃脫。它們會在那裡繞過黑洞，然後經過「 事件地平線 」，細長的光斑描繪了光碟中的明亮區域，這導致了光源的X射線亮度規則性地變化。ASASSN-14li的潮汐破壞很有趣，允許科學家們估計黑洞的旋轉速率，而該黑洞周圍的事件視界，大約達到了地球直徑的300倍，其每兩分鐘旋轉一次的運動，則意味著黑洞旋轉的速度至少是光速的一半。這些結果意義，就在於更加激勵科學家們願意花更多的時間，以觀察未來的潮汐破壞事件，從而尋找類似其X射線亮度的規律性變化。

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