⿊洞吸积:点亮⾼能宇宙的引擎

作者: 乔⼆林

来源: 中国科学院国家天⽂台

发布日期: 2023-08-04 12:51:55

⿊洞吸积是⿊洞和物质相互作⽤的重要⽅⾯,通过研究⿊洞和周围物质的相互作⽤过程,揭⽰⿊洞的基本性质。⿊洞吸积理论的基本解与吸积率密切相关,是决定⿊洞吸积模式最关键的因素。⿊洞吸积过程的引⼒能释放效率是热核反应效率的20倍以上,是宇宙中最有效的能量释放⽅式之⼀。

⿊洞是⼴义相对论预⾔的产物。经典⿊洞既不发光,也不发热,因此孤⽴的⿊洞很难被探测到。在实际的天体环境中,可以通过研究⿊洞和周围物质的相互作⽤过程,并结合多波段的电磁辐射揭⽰⿊洞的基本性质。这其中⼀个关键的环节是对⿊洞和周围物质相互作⽤基本物理过程的理解。本⽂将要提到的⿊洞吸积便是⿊洞和物质相互作⽤的重要⽅⾯。如图(1)所⽰的⿊洞照⽚是⿊洞吸积产⽣辐射的典型例⼦。

⿊洞吸积是指⽓体在⿊洞强引⼒的作⽤下被聚拢并进⽽产⽣辐射的过程。相对普通恒星⽽⾔,⿊洞⾮常致密。如图(2)所⽰,太阳的半径约为70万公⾥,如果将太阳压缩到约3公⾥,则会变成⿊洞。

对于⼀个不旋转的⿊洞(史⽡西⿊洞),简单的⽜顿⼒学计算表明其在吸积过程中的引⼒能释放效率为1/6,如图(2)右下⾓公式所⽰,M表⽰⿊洞质量,R*表⽰⿊洞的半径(⼀般取R*为3RS,表⽰⿊洞周围物质运动的最⼩稳定圆轨道;RS表⽰史⽡西半径,代表不旋转⿊洞的视界⾯)。对于旋转的⿊洞(克尔⿊洞),其在吸积过程中的引⼒能释放效率会更⾼。

⿊洞周围物质的引⼒能释放效率与⿊洞质量⽆关,上述估计既适⽤于恒星级⿊洞也适⽤于超⼤质量⿊洞。精确的引⼒能释放效率的计算需要⽤到⼴义相对论。⿊洞吸积过程的引⼒能释放效率是热核反应效率的20倍以上,是宇宙中最有效的能量释放⽅式之⼀。经典⿊洞吸积模型的建⽴源于对低质量⿊洞X射线双星的研究。在低质量⿊洞X射线双星中,伴星物质充满洛希瓣并经由内拉格朗⽇点L1被⿊洞吸积。

由于双星系统相互绕转,被吸积的物质携带很⼤的⾓动量,因⽽会形成吸积盘,如图(3)所⽰。含粘滞的吸积盘理论始于上世纪70年代,Shakura和Sunyaev将复杂的粘滞过程参数化,提出所谓的α盘理论,又称为标准吸积盘理论[1]。标准吸积盘是⼀种冷的、⼏何薄、光学厚的吸积盘,被⼴泛地应⽤在⿊洞X射线双星、类星体以及活动星系核等解释其强烈的辐射。

另外标准吸积盘也被应⽤在中⼦星、⽩矮星以及原恒星等各种类型的吸积系统中,是现代天体物理领域最为重要的理论基础之⼀。⿊洞吸积理论的基本解与吸积率密切相关,是决定⿊洞吸积模式最关键的因素。吸积率是指单位时间供给⿊洞的物质量。

在吸积理论的α假设下,研究表明,当吸积率⼤于某个临界值,标准吸积盘会逐渐转变为细盘(slim disk)或者超爱丁顿吸积流[2];⽽当吸积率⼩于某个临界值,标准吸积盘会逐渐转变为径移主导吸积流(ADAF)[3]。Slim disk和ADAF是对标准吸积盘向吸积率⾼端和低端分别延伸的结果,这种延伸既有理论的需求也有观测的需求。

⿊洞吸积理论中⼀个关键的物理过程是⽓体的粘滞问题。⽓体的粘滞有两个重要的作⽤:(1)转移⾓动量(2)加热⽓体。虽然引⼊的α假设很好地描述了上述两个问题,但是直到发现⿊洞吸积盘的磁流体旋转不稳定性(MRI),⼈们才对⿊洞吸积过程的粘滞问题有了更加充分的理解[4]。MRI的发现者Steven Balbus和John Hawley也因此获得了2013年邵逸夫奖的天⽂学奖,如图(4)所⽰。

⿊洞吸积本质上是⿊洞强引⼒场条件下的辐射磁流体⼒学问题。这是⼀个极为复杂的⾮线性计算问题。对⿊洞吸积过程的精确研究需要借助⼤型计算机的数值模拟。⿊洞吸积过程又具有统⼀性,特别是⿊洞活动的基本平⾯关系(吸积过程和另外⼀个相反的过程喷流以及⿊洞质量之间的关系)的发现暗⽰⿊洞吸积理论在⿊洞质量跨越了约9个量级的尺度上仍然具有某种强的关联,具体如图(5)所⽰。

⾃然界给我们展⽰出了丰富多彩的观测现象,但是其背后的基本物理规律往往并没有那么复杂。像⿊洞吸积理论这样在⿊洞质量跨越了9个量级尺度仍然成⽴的物理规律⾃然界能有多少呢?

对⿊洞吸积过程的深⼊研究可以帮助精确测量⿊洞的基本参数,检验⿊洞周围强引⼒中的物质运动规律,普查不同尺度⿊洞在宇宙中的分布。真实宇宙中⿊洞的吸积环境⾮常复杂,以⿊洞吸积为基础可以衍⽣出如,X射线双星、超新星、类星体、耀变体、活动星系核、⿊洞照⽚(M87,银河系中⼼Sgr A*),⿊洞潮汐⽡解恒星事件以及伽马射线暴等丰富多彩、绚烂⽆⽐的⾼能天⽂现象。

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