黑洞真的是什麼都吸的「宇宙吸塵器」嗎？
― 就算太陽換成黑洞，地球仍會沿著相同軌道繼續運行
很多人以為，黑洞會把靠近的東西一個個吸進去。但實際上，從遠處看黑洞的引力，和同等重量的恆星完全一樣。黑洞真正變得特別，只有在靠近到幾公里以內的時候。
電影或動畫裡常有這種畫面：太空船被黑洞吸引過去，周圍的星星和岩石也一邊打轉一邊被吸進漆黑的洞裡。
光是看著，就會讓人覺得「一旦靠近，最後什麼都會被吞掉」。就像吸塵器的吸嘴一樣，黑洞彷彿一直在吸引周圍的東西。感覺似乎真是如此。
那麼，如果太陽突然換成同等重量的黑洞，地球會被吸進去嗎？答案是「不會」。地球仍會沿著跟現在一樣的路徑，花同樣的1年繞一圈。
「不會被吸進去」只有兩個理由
引力的強弱，只由對方的重量和彼此的距離決定。重量相同的話，無論是恆星還是黑洞，在同一個距離外的引力都一樣。並不會因為是黑洞，引力就變強。
宇宙中的物體，大多帶有橫向的速度。橫向移動的物體即使受到引力拉扯，也不會直線墜落，而是繞著轉。就像地球不會掉進太陽裡一樣，地球也不會輕易掉進黑洞。
吸塵器是利用空氣壓力差，把東西壓進吸嘴裡的機器。黑洞沒有這種機制。黑洞只是和普通恆星一樣的引力，集中在一個點上而已。
把太陽換成黑洞，地球的1年也不會變
請看圖1。左邊是現在的太陽與地球，右邊是把太陽換成同等重量黑洞的想像圖。把太陽的重量壓縮到一點，會變成半徑約3公里的球體。換成直徑來說，大概和一個小鎮差不多大。
大小會劇烈改變，但重量不變。從地球的角度看，「中心的重量」和「到中心的距離」都沒變，所以地球受到的引力也不變。地球的軌道和一年的長度都維持原樣。唯一會改變的，是白天不再來臨，地球逐漸凍結。
要掉進黑洞裡，其實很難
地球以每秒約30公里的速度繞著太陽運行。若要掉進太陽，必須幾乎抵消掉這個橫向速度。據說要飛出太陽系所需增加的速度，反而比這個更少。探測器要飛向太陽時，常常要多次經過行星附近來減速，正是因為這個原因。
黑洞周圍的氣體也是一樣。氣體一邊打轉一邊緩慢地往內移動，形成一個扁平的圓盤。圓盤中的氣體互相摩擦，溫度升高到數百萬度，發出強烈的光。諷刺的是，許多黑洞正是靠著這種「無法完全墜落的氣體」所發出的光被發現的。
真正特別的，只是最靠近中心的幾公里
那麼，黑洞厲害在哪裡呢？就是它能讓人靠近到普通恆星無法企及的「中心附近」。恆星表面以內就是恆星本體，引力不會再變強。但黑洞很小，可以在保持重量不變的情況下，無限靠近中心。
請用圖2的滑桿改變與中心的距離。畫面會顯示從那個位置脫離所需的速度。與太陽表面相同距離時，約為每秒620公里，只有光速的0.2%左右。靠近到半徑約3公里時，所需速度正好等於光速。連光都無法逃出的那個界線，就是黑洞「黑」的真正原因。
圖1純粹是想像實驗。據推測，只有比太陽重得多的恆星，在生命終結時才會變成黑洞。太陽大約在50億年後膨脹之後，會變成一顆和地球差不多大小的白色恆星（白矮星），慢慢冷卻下去。
2022年，根據蓋亞衛星的觀測，據報導在約1500光年外發現了一個重量約為太陽10倍的黑洞。一顆類似太陽的恆星正繞著它運行。由於即使以光速也要1500年才能到達，所以不必擔心會影響到地球。
總結
從遠處看，黑洞的引力和同等重量的恆星沒有差別。而且橫向移動的物體不會墜落，而是會繞著轉。黑洞特別之處在於，它能讓人在保持重量不變的情況下，靠近到普通恆星無法到達的中心附近。
黑洞不是吸塵器。
真正可怕的不是引力的強度，而是能靠近的程度。
地球為什麼不會掉進太陽，可以在「在太空站裡身體會飄起來，真的是因為沒有重力嗎？」中讀到；重恆星的其中一種結局，則可以在「中子星真的一茶匙就超過10億噸嗎？」中讀到。
- 準備一個較大的碗或沙拉碗，從邊緣把玻璃珠朝中心直直滾下去。玻璃珠會馬上掉到碗底。
- 接著，沿著碗邊用力橫向滾動玻璃珠。玻璃珠會在碗內不斷繞圈，不容易到達碗底。
- 數一數繞幾圈才會到達碗底。橫向的力道越強，繞的圈數應該會越多。
碗的形狀並不精確代表引力的形狀，只是一個比喻。不過仍可以體會到「橫向移動的物體，即使被拉向中心，也不會墜落而是繞圈」的感覺。玻璃珠一點一點靠近碗底，是因為摩擦失去了速度，這和圓盤中的氣體互相摩擦後往內移動的情況類似。
想深入了解的人 ― 用語・公式・與教科書的連結從中學理科到大學專業科目，明確標示各段內容屬於哪個程度
- 中學中學理科會學到的範圍
- 高中高中「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書專欄的內容
- 大學高中不會學到，屬於大學專業科目（相對論・宇宙物理學）的內容
- 研究即使在大學也還不是「定論」，而是研究人員正在調查中的內容
中學用語：這個現象是有名字的
- 事件視界：從這個界線以內，連光都無法逃出的邊界。相當於黑洞的「表面」。
- 史瓦西半徑：不旋轉黑洞的事件視界半徑。與重量成正比，若與太陽同重，約為3公里。
- 吸積盤：繞著黑洞等天體旋轉、同時一點一點往內墜落的氣體所形成的扁平圓盤。因互相摩擦而變得高溫，發出強光。
中學高中用公式驗證：與太陽同重黑洞的大小
求出「即使以光速往上拋也回不來的距離」，就能得出黑洞的大小。這裡把單位統一為公里與秒來計算。
| 用符號表示 | r ＝ 2 × G × M ÷ c² （脫離速度為 v ＝ √( 2 × G × M ÷ r )） |
| 用文字表示 | 黑洞的半徑 ＝ 2 × 萬有引力常數 × 重量 ÷ 光速的平方 |
| 公式從何而來 | 拋出物體的運動能量，正好等於克服引力飛到遠方所需的能量，從這個能量守恆的平衡關係可以得出脫離速度的公式。把這個速度換成光速c，就得到半徑的公式。 |
符號的意義：r 是半徑（單位為km）、G × M 是萬有引力常數與重量的乘積（單位為km³/s²）、c 是光速（單位為km/s）、v 是脫離所需的速度。
| 太陽的 G × M | 約為 132700000000 km³/s²（1327億） |
| 光速 c | 每秒約 300000 km |
| 太陽的半徑 | 約 696000 km |
| 分子 2 × G × M | 2 × 132700000000 ＝ 265400000000 |
| 分母 c² | 300000 × 300000 ＝ 90000000000 |
| 黑洞的半徑 | 265400000000 ÷ 90000000000 ≒ 2.95 km |
| 比較：與太陽表面的比值 | 2.95 ÷ 696000 ≒ 0.00000424 |
| 其平方根 | 0.00000424 的平方根約為 0.00206 |
| 從太陽表面脫離所需速度 | 300000 × 0.00206 ≒ 618 km/s |
與太陽同重的黑洞，半徑約為3公里。從太陽表面脫離所需速度約為每秒620公里，約為光速的0.2%。即使重量相同，能靠近到什麼程度，所需速度會有天差地別的變化。順帶一提，若把地球換成黑洞，半徑據說只有約9毫米，差不多是玻璃珠的大小。
高中高中＋軌道只由重量與距離決定
高中高中物理的萬有引力定律中，引力「與重量乘積成正比，與距離平方成反比」。中心天體的大小並不會出現在公式裡。地球公轉的週期，依照克卜勒第三定律，也只由中心的重量與軌道大小決定。所以就算把太陽換成黑洞，一年的長度也不會改變。
高中＋「連光都逃不出的重恆星」這個想法本身很古老，據說1783年英國的約翰・米契爾用同樣的脫離速度概念，提出了「暗星」的構想。用牛頓力學算出的這個半徑，碰巧與後來廣義相對論的答案形式相同。另外，不容易墜落的根本原因是角動量守恆，橫向旋轉的物體，只要不放掉角動量，就無法靠近中心。
大學從相對論看黑洞
要正確處理需要廣義相對論。不旋轉的黑洞可以用史瓦西解表示，事件視界的半徑就是史瓦西半徑。與牛頓力學的最大差異是，即使在視界之外，靠近中心時也會沒有能穩定繞轉的軌道。對不旋轉的黑洞來說，這個界線（最內穩定圓軌道）據說是史瓦西半徑的3倍。吸積盤中的氣體會旋轉著靠近到這裡，再往內就會一口氣墜落。靠近通過的恆星被撕裂的潮汐瓦解現象，也已經透過觀測得到確認。
📖 公式推導與更深入的內容：史瓦西半徑（維基百科） ／ 吸積盤（維基百科）
研究目前尚未完全明白的事
- 巨大黑洞是如何如此快速成長的。 銀河中心存在重量達太陽數百萬倍到數十億倍的黑洞，銀河系中心的黑洞據說約為太陽的400萬倍。在宇宙還很年輕的時候，就已經發現了巨大的黑洞，究竟是如何成長的，至今仍有爭論。
- 墜入的資訊去了哪裡。 有一種理論（霍金輻射）認為，黑洞會釋放極微量的熱並逐漸蒸發。這時被吸入物體的資訊是否會消失，是物理學上尚未解決的重大問題。
- 中子星與黑洞的分界。 恆星殘骸的重量超過多少會變成黑洞，目前還沒有精確的定論。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。不過「從遠處看，與同等重量恆星的引力相同」這一點，已經透過天體觀測反覆確認過。
與教科書的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 中學 | 理科・地球與宇宙（太陽系與行星） | 地球繞著太陽運行的機制 |
| 高中 | 物理・萬有引力、圓運動 | 引力只由重量與距離決定、脫離速度公式 |
| 高中＋ | 物理進階・角動量守恆 | 橫向移動物體不易墜落的原因、米契爾的「暗星」 |
| 大學 | 廣義相對論・宇宙物理學 | 史瓦西解、最內穩定圓軌道、吸積盤 |
| 研究 | 宇宙物理學・量子重力 | 巨大黑洞的成長、資訊的去向 |
| ― | 與生活的連結 | 可以用引力定律重新審視電影或報導中「吸入」這種說法 |
- El-Badry, K. ほか (2022) A Sun-like star orbiting a black hole. 英國皇家天文學會月報
- 美國國家標準技術研究所・基礎物理常數（萬有引力常數的推薦值與不確定度）
- 克卜勒定律（維基百科）
- 小山勝二・嶺重慎 編『ブラックホールと高エネルギー現象』（シリーズ現代の天文学 第8巻）日本評論社（黑洞與高能現象，森林総合研究所系列現代天文學叢書第8卷，日本評論社）
- 国立天文台 編『理科年表』丸善出版（太陽の質量・半径、光速などの定数）（國立天文台編《理科年表》，丸善出版，收錄太陽質量・半徑、光速等常數）
※本文為大眾科學解說。文中數值僅為幫助理解機制的參考估算值。將太陽換成黑洞的假設，只是用來思考引力機制的想像實驗。