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黑洞吸积
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Ramesh Narayan、Eliot Quartaer 文 Shea 译 |
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黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。 天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。但是当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。 黑洞是爱因斯坦广义相对论最为惊人的预言之一：如此大的质量集中在一个非常小的体积内，致使引力压倒了一切其他的力，使得没有东西——包括光——可以逃脱。与普通的表面不同，黑洞有一个视界，这个虚拟的表面将黑洞内部与外界隔开。有意思的是，广义相对论预言类似天体物理学研究的宏观黑洞是极为简单的天体；仅仅使用两个参数就可以完全描述它们，这两个参数一个是质量，另一个是自转。 现在天文学家意识到黑洞有许多种，从几个太阳质量的恒星质量黑洞到106-109个太阳质量的超大质量黑洞。在这两者之间是否存在中等质量黑洞目前还不能确定，它正是目前研究的热点。当30-100个太阳质量的恒星耗尽其核燃料就会在其自身引力作用下坍缩，形成大约10个太阳质量的黑洞；在诸如银河系这样的星系中可能有1千万个这样的黑洞。其中绝大多数无法看见，但是当它们吸积来自伴星的物质时就会成为明亮的X射线源；它们被称为X射线双星。更为壮观的是，坍缩星中央新形成的黑洞吸积可能会产生宇宙间最剧烈的爆发——γ射线暴。 除了这些小黑洞外，现在有越来越多的证据显示，几乎在每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。它们的质量从106-109个太阳质量不等，而且还与宿主星系核球的质量紧密相关，大约是核球的1/1000。超大质量黑洞的最直接证据来自银河系中心，在那里恒星绕中央黑洞转动的椭圆轨道已经被观测到了，这可以精确定出它的质量为3.7×106个太阳质量。当超大质量黑洞吸积周围的气体时，它就会成为活动星系核。活动星系核可以极为明亮（达到1048尔格/秒），压倒其宿主星系中的所有恒星。 尽管中央超大质量黑洞的存在已经被人广为接受，但是对它们的形成过程仍然一无所知。黑洞质量与星系质量的紧密联系预示超大质量黑洞的形成是与其宿主星系的形成分不开的。对这一现象的一个潜在解释是，当黑洞通过吸积生长时，它会在其周围沉淀下足够的动量和能量，以此来吹散星系中的气体切断自己的物质补给。这一过程也会决定星系中所能形成恒星的总数，而且可以归整大到星系团尺度的结构。因此，尽管还没有引起足够的重视，但是黑洞确实在宇宙结构的形成与演化中扮演了重要的角色。 吸积物理学 流向中央天体的气体几乎不可避免地会带有角动量，这会防止它们直接掉入中央天体。相反地，气体会进入一个盘状结构，它的指向由气体角动量决定。这一简单的物理解释适用于所有的天体物理吸积盘，从银河系的气体盘到太阳系的行星盘。鉴于角动量所造成的壁垒，为了使气体掉入中央天体就需要一些阻尼机制。在许多系统中，等粒子体中的磁场提供了这些阻尼，有效地将角动量转移到了外围，使得吸积得以进行。 除了传递角动量之外，磁场也会把被吸积气体的部分引力势能转化为热能。这一过程非常复杂而且对此知之甚少，但是它所释放的能量并不敏感地依赖于其中的细节，可以被可靠的估计出来。因此吸积盘的动力学特征将只和热能是否可以被辐射有关。基于辐射效率可以将吸积流划分成两大类。 如果耗散的能量可以在比气体流入黑洞短得多的时标内被辐射掉，那么气体就可以快速冷却，形成一个薄盘（盘的垂直厚度通常是半径的0.1-3%）。其辐射效率为0.06-0.4，这取决于黑洞的自转；因此薄盘是宇宙中最高效的能源，其效率大约是恒星核聚变的50倍。与之形成对比的是，如果气体无法有效地辐射它的能量，它就会形成厚盘（厚度大约是半径的20%或者更多）。  黑洞吸积会采取这两种模式中的一种。对于低光度的X射线双星和活动星系核，其吸积率远小于爱丁顿吸积率，因此在观测上呈现厚盘。最引人入胜的例子就是我们银河系中心的超大质量黑洞，它令人惊讶的暗弱（1036尔格/秒，仅仅是太阳的大约100倍），是一个非常低效的吸积体（尽管有小部分气体确实抵达了黑洞，但是从远处质量补给率估计出的辐射效率大约为10-6）。在这样的系统中，吸积被认为是通过一种炽热双温无碰撞等离子体进行的，其中质子的温度远高于电子温度。这类等离子体的物理性质还没有完全搞清楚。 在另一种情况下，吸积率远大于爱丁顿吸积率，由于存在如此多的物质，内流气体所产生的辐射会被吸积流包裹住，在其掉入黑洞之前也无法有效地释放出来。直到吸积率达到了爱丁顿吸积率的1015倍（对于一个太阳质量的黑洞而言差不多是每秒1个太阳质量），此时内流气体将通过中微子而不是电磁辐射来辐射它的引力结合能。在更高的吸积率下，即使是中微子也会被困在内流气体中，厚盘还是会形成。在X射线双星和活动星系核中不会出现如此高的吸积率，它们的特征值通常都小于爱丁顿极限。但是在大质量恒星坍缩（例如超新星）中形成的中子星和太阳质量黑洞可以达到如此高的吸积率。最近的一些观测显示，一些γ射线暴——在几秒钟内γ射线波段可以释放出大约1051尔格能量的爆发——与超新星有关，而且可能是新形成的黑洞以每秒1个太阳质量的速率吸积母星的残骸进而产生相对论喷流所造成的。 最后是吸积率等于爱丁顿吸积率的情况，因为可以有效地辐射掉引力势能，此时吸积通过薄盘进行。最近的研究显示吸积流中气体的命运直接与吸积盘是薄盘还是厚盘有关。在薄盘中，从远处补给的绝大多数其体会掉入中央黑洞。而在厚盘中，只有少量的气体最终会进入黑洞。相反，大多数气体会在对流运动中循环，或者是被喷流带走。这也造成了吸积流的辐射量急剧减少。由于补给物质的命运和吸积模式紧密相关，因此明亮吸积黑洞的吸积率会局限在一个相对较窄的范围内。  进去或者出来？ 来自厚盘的喷流是另一个未解之谜。观测发现许多吸积系统都有强劲的物质和能量喷流。这些喷流并不是吸积黑洞独有的——年轻的吸积恒星以及吸积中子星也有喷流——但是黑洞的喷流，尤其是大质量黑洞的喷流，却是最吸引人的。  最近的研究——包括在广义相对论框架下对磁化吸积等离子体的直接数值模拟——澄清了喷流的发源地。模拟显示吸积流可以自洽地产生相对论喷流。对于高速旋转的黑洞，其喷流更强也更为重要。喷流的一部分能量直接来自黑洞的自转能而不是吸积物质，这一机制已经被研究了超过30年。 数值模拟清楚地再现了旋转黑洞产生喷流的物理过程。在旋转黑洞视界的外面有一个时空区域被称为能层，其中的物质无法保持静止，而且必须和黑洞一起转动。由于这一坐标系曳引效应，能层中的磁化等离子体会由于和黑洞一起的转动而扭曲，扭曲会以阿尔芬波的形式沿着磁力线向外传播，并且抽取黑洞的转动能来驱动喷流。这与带有磁场的恒星（例如脉冲星）或者吸积盘产生喷流的机制非常相似。  观测上，目前还不清楚到底是黑洞还是吸积盘是吸积黑洞喷流的发源地。X射线双星显示了厚盘和喷流射电辐射之间的强相关性。在活动星系核中也有类似的情况，特别是低光度系统。这预示吸积是产生喷流的核心，因为喷流源于厚盘本身，而且与厚盘有关的磁场结构也有助于抽取中央黑洞的能量。 旋转黑洞 对黑洞喷流的数值模拟为长期猜想的相对论喷流与黑洞自转之间的联系提供了一定的支持。随着对天体物理黑洞质量测定的不断进步，对于完整的描述黑洞而言，自转成为了目前唯一一个不确定的因素。有明显的证据表明绝大多数星系中心的超大质量黑洞都在快度转动。通过比较局部宇宙中黑洞的总质量以及吸积所产生的总辐射量，可以推算出吸积黑洞的平均辐射效率。结果表明平均辐射效率大于0.1，这为绝大多数黑洞都具有可观的自转而且自转参数更接近1而不是0提供了具有建设性的统计证据。 从理论上讲，获得孤立系统中黑洞自转的直接证据是可能的，因为自转会对黑洞周围的时空结构产生影响。旋转黑洞周围的吸积盘可以一直延伸到能层，在这一区域中气体辐射的特性可以反映出黑洞的自转。在一些X射线双星和活动星系核的X射线谱中观测到了电离铁线。在一些情况下，与静止波长相比，它们具有相当大的宽度。尽管对此的解释和分析还存在一些争议，但是大多数人将这一谱线致宽归咎于自转参数大于0.9的旋转黑洞周围吸积盘中的极端引力红移和多普勒频移效应。 一类特定的X射线双星——包含黑洞或者中子星——它们的X射线辐射存在周期性的振荡。这些准周期振荡的周期与中央黑洞视界附近物质转动的周期相似，预示了这些物质正要穿过视界。就像地震可以用来研究地球内部结构一样，准周期振荡也可以用来探测黑洞周围的时空结构，而且为黑洞的旋转提供了线索。 用这些方法来估计黑洞的自转是可行的，因为吸积盘中的气体可用来探测黑洞附近的时空。比黑洞自转扭曲时空更引人注目的是黑洞的视界。从理论上讲吸积盘中的气体正是通过视界进入黑洞的，因此可能以此来探测黑洞是否真的拥有视界。还有，黑洞和中子星的X射线双星的光度和光谱差异已经被观测到。当与吸积模型相结合之后，这些差异与黑洞拥有视界而中子星有固体表面相一致，因此证实了广义相对论中最为壮观的预言之一。 理论上，对于所有的研究而言，有可能直接观测到即将进入黑洞视界的气体。在不久的将来，最有希望来实现这一观测的是甚长基线干涉仪（VLBI），它使用位于地球两端的射电望远镜来获得最高分辨率的天体影像。在大约0.3mm的波段，这一技术可以达到10-5角秒的分辨率。这足以看到月球上的一枚25美分硬币。更重要的是，银河系中央黑洞视界在天空中的张角大约就是10-5角秒。VLBI计划被用来观测黑洞附近气体的辐射，在这些观测中可以看到令人激动的相对论效应，例如黑洞的自转。这将是黑洞天体物理学的一大进步：从理论预言到直接成像用了差不多100年时间。 |
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出自：Science
发布日期：2005-01-07
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2001-2009 火流星工作组制作
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