臺北市立天文科學教育館

------本課程適合高中以上------

黑洞是將物質轉化為能量的最有效天體。當物質因黑洞引力朝向黑洞落入時，通常具有某種程度的角動量，因此它們不會直接掉入黑洞，而是開始以高速旋轉的方式在黑洞周圍環繞，眾多物質因此堆積在黑洞周圍形成盤狀結構，稱為吸積盤。在吸積盤內部，不同層的物質之間存在摩擦，這些摩擦產生大量的熱，使得吸積盤發出電磁輻射，包括X射線和可見光，成為一個非常明亮的天體。吸積盤的重要性在於，它們不僅是黑洞成長的主要方式，還是研究黑洞周圍環境和物理過程的關鍵窗口。由於吸積盤的輻射特性，天文學家可以通過觀察這些輻射來間接了解黑洞的質量、旋轉速率以及周圍物質的性質。

圖說：黑洞周圍的吸積盤及噴流（藝術假想圖）。

卓拉X射線太空望遠鏡（Chandra X-ray observatory）於2010年在編號梅西耶100（Messier 100）螺旋星系中發現了一個黑洞的證據。這個黑洞（編號SN 1979C）被認為是由一顆質量約為太陽20倍的恆星爆炸後產生的，留下了一個約為太陽質量8倍的黑洞。錢卓拉探測到來自這個黑洞周圍吸積盤內的氣體所發出的X射線。這些氣體在吸積盤中因為原子之間的碰撞的速度越來越高，溫度可上升到超過1億K。這些發射出X射線的氣體的溫度與它們跟黑洞的距離有關。當氣體在距離質量為太陽質量M倍的黑洞R公里的位置時，以下兩個方程式描述了流進黑洞氣體的溫度T和該氣體發出電磁輻射的最強的波長λ的關係：

K為絕對溫度，nm為奈米（即10^-9公尺）。

圖說：錢卓拉X射線太空望遠鏡發現的SN 1979C黑洞位置及其宿主星系Messier 100螺旋星系影像。

練習10-1：

利用代入法結合公式10-1及10-2，寫下新的公式λ(R, M)。表示氣體發出電磁輻射的最強的波長λ為其距離黑洞中心R和黑洞質量M的函數。

練習10-2：

根據錢卓拉的資料，從SN 1979C黑洞附近探測到的X射線波長為0.53奈米。如果黑洞的質量是太陽的8倍，那麼探測到的氣體距離黑洞中心有多遠（以公里為單位）？這個距離是在黑洞的事件視界（史瓦西半徑）的幾倍處？

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