黑洞怎麼吸積物質?它有個吸積盤

2020-12-03 百家號
黑洞吸積盤(來源: NASA)

黑洞是一種時空區域,它具有強大的引力效應,以至於任何東西——甚至粒子和像光這樣的電磁輻射——都無法從它內部逃脫。廣義相對論預言,足夠緻密的質量可以使時空變形,從而形成黑洞。不能逃脫的區域的邊界稱為事件視界。雖然事件視界對穿過它的物體的命運和周邊環境有巨大的影響,但似乎沒有觀察到局部可探測的特徵(黑洞無毛定理:黑洞的性質由三個物理量唯一地確定,這三個量分別為:電荷、質量、角動量)。在很多方面,黑洞就像一個理想的黑體,因為它不反射光線。此外,彎曲時空中的量子場論預測視界發射霍金輻射,其光譜與溫度與質量成反比的黑體相同。對於恆星級質量的黑洞來說,這個溫度大約是十億分之一開爾文,這使得它基本上不可能被觀測到。

黑洞(來源:維基百科)

當大質量恆星在其生命周期結束時坍縮時,坍縮之後有兩種情況:一是形成中子星,二是形成一個恆星級黑洞。黑洞形成後,它可以通過吸收周圍環境中的質量繼續增長,並且可能通過吸收其他恆星與其他黑洞和合併,這是形成超大質量黑洞(數百萬倍太陽質量)的一種可能方式。普遍的共識是,超大質量黑洞存在於大多數星系的中心。

既然黑洞周圍的引力場那麼強,豈不是只要有東西出現在周圍就會被吸進去?事實上,就像地球繞著太陽轉而不撞進太陽一樣,黑洞周圍的物質只要有一定的角動量,一時半會就不會掉進黑洞,而是繞著黑洞轉。下圖是一張描述比較詳細的黑洞吸積、噴流、輻射的示意圖:

黑洞周圍各種物質組分

我們可以看到,黑洞周圍除了有一團盤狀流體外,還有噴流(jet)、輻射(radiation)、盤風(disk wind)和外流(outflow),這些部分會在後面的文章裡一一展開。

吸積盤是一種物質分布結構(通常是一個環繞星盤),是由圍繞一個巨大的中心物體的軌道運動中擴散的物質形成的。吸積盤的形成主要源於吸積物質見的粘滯作用,摩擦導致盤內繞軌道運行的物質向中心物體內部螺旋上升,引力和摩擦力壓縮和提高了材物質的溫度(通常叫粘滯耗散產熱),導致電磁輻射的發射,輻射的頻率範圍取決於中心物體的質量。年輕恆星和原恆星的吸積盤輻射主要是在紅外波段輻射;中子星和黑洞的輻射主要在X射線波段。

吸積盤具體長什麼樣子呢?一般來說吸積按吸積率的大小分為三種模式:高吸積率(Slim Disk 模型)、中等吸積率(Thin Disk 模型)、低吸積率(ADAF 模型)。

吸積的不同模式

高吸積率和中等吸積率的情況類似,都是一個幾何薄的盤(關於厚度,天文學中分成了幾何厚度和光學厚度,幾何厚度主要指物質分布區域的厚度,而光學厚度依賴於該物質的消光能力,就是說越能擋光即光學厚度越大):

薄盤狀吸積盤

而對於低吸積率的黑洞,其吸積盤會變得非常厚(幾何厚)

低吸積率吸積盤示意圖

用數值模擬發現真的可以非常非常厚!

低吸積率吸積盤數值模擬(Stone,1999)

低吸積率的吸積盤主要特點是:幾何厚、光學薄、溫度高、輻射低效。

下面整理一下三種吸積模式各自的主要特點以及相互的區別:

三種吸積模式的特徵

好啦今天就給大家介紹這麼多,下面放出NASA公開的一個模擬吸積盤視頻,精準精美,分享給大家!

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