黑洞吸積:點亮高能宇宙的引擎

黑洞是廣義相對論預言的產物。經典黑洞既不發光,也不發熱,因此孤立的黑洞很難被探測到。在實際的天體環境中,可以通過研究黑洞和周圍物質的相互作用過程,並結合多波段的電磁輻射揭示黑洞的基本性質。這其中一個關鍵的環節是對黑洞和周圍物質相互作用基本物理過程的理解。黑洞吸積是黑洞和物質相互作用的重要方面,黑洞照片就是黑洞吸積產生輻射的典型例子。

圖1. 黑洞照片:M87和銀河系中心Sgr A*(圖源 / EHT collaboration)

/什麼是黑洞吸積?

黑洞吸積是指氣體在黑洞強引力的作用下被聚攏並進而產生輻射的過程。相對普通恆星而言,黑洞非常緻密。太陽的半徑約為70萬公里,如果將太陽壓縮到約3公里,則會變成黑洞。

圖2. 如果太陽被壓縮到3公里,則會變成黑洞。

對於一個不旋轉的黑洞(史瓦西黑洞),簡單的牛頓力學計算表明其在吸積過程中的引力能釋放效率為1/6,如圖2右下角公式所示,M表示黑洞質量,R*表示黑洞的半徑(一般取R*為3RS,表示黑洞周圍物質運動的最小穩定圓軌道;RS表示史瓦西半徑,代表不旋轉黑洞的視界面)。對於旋轉的黑洞(克爾黑洞),其在吸積過程中的引力能釋放效率會更高。黑洞周圍物質的引力能釋放效率與黑洞質量無關,上述估計既適用於恆星級黑洞也適用於超大質量黑洞。精確的引力能釋放效率的計算需要用到廣義相對論。黑洞吸積過程的引力能釋放效率是熱核反應效率的20倍以上,是宇宙中最有效的能量釋放方式之一。

/黑洞吸積理論的基本解

經典黑洞吸積模型的建立源於對低質量黑洞X射線雙星的研究。在低質量黑洞X射線雙星中,伴星物質充滿洛希瓣並經由內拉格朗日點L1被黑洞吸積。由於雙星系統相互繞轉,被吸積的物質攜帶很大的角動量,因而會形成吸積盤,如圖3所示。含粘滯的吸積盤理論始於上世紀70年代,Shakura和Sunyaev將複雜的粘滯過程參數化,提出所謂的α盤理論,又稱為標準吸積盤理論[1]。

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圖3. 低質量黑洞X射線雙星吸積示意圖。

標準吸積盤是一種冷的、幾何薄、光學厚的吸積盤,被廣泛地應用在黑洞X射線雙星、類星體以及活動星系核等解釋其強烈的輻射。另外標準吸積盤也被應用在中子星、白矮星以及原恆星等各種類型的吸積系統中,是現代天體物理領域最為重要的理論基礎之一。

黑洞吸積理論的基本解與吸積率密切相關,是決定黑洞吸積模式最關鍵的因素。吸積率是指單位時間供給黑洞的物質量。在吸積理論的α假設下,研究表明,當吸積率大於某個臨界值,標準吸積盤會逐漸轉變為細盤(slim disk)或者超愛丁頓吸積流[2];而當吸積率小於某個臨界值,標準吸積盤會逐漸轉變為徑移主導吸積流(ADAF)[3]。Slim disk和ADAF是對標準吸積盤向吸積率高端和低端分別延伸的結果,這種延伸既有理論的需求也有觀測的需求。

需要指出的是,黑洞吸積理論在早期提出的時候主要是用來解釋有些天體,例如X射線雙星、類星體等為什麼會那麼明亮?而隨著觀測的進展,有些時候問題卻向著相反的方向發展,例如像M87和Sgr A*這些天體為什麼那麼暗?被吸積氣體釋放的能量去哪裡了呢?答案是:被黑洞吃掉了!這是在ADAF框架下黑洞視界面存在的關鍵證據之一,因為只有黑洞視界面才能讓被吞掉的物質和能量有去無回!

/黑洞吸積理論中的粘滯問題

黑洞吸積理論中一個關鍵的物理過程是氣體的粘滯問題。氣體的粘滯有兩個重要的作用:(1)轉移角動量(2)加熱氣體。雖然引入的α假設很好地描述了上述兩個問題,但是直到發現黑洞吸積盤的磁流體旋轉不穩定性(MRI),人們才對黑洞吸積過程的粘滯問題有了更加充分的理解[4]。MRI的發現者Steven Balbus和John Hawley也因此獲得了2013年邵逸夫獎的天文學獎,如圖4所示。

圖4. Steven Balbus和John Hawley因發現吸積盤的MRI過程,獲得2013年邵逸夫獎的天文學獎。圖源 / 邵逸夫獎官網

/黑洞吸積的複雜性與統一性

黑洞吸積本質上是黑洞強引力場條件下的輻射磁流體力學問題。這是一個極為複雜的非線性計算問題。對黑洞吸積過程的精確研究需要藉助大型計算機的數值模擬。黑洞吸積過程又具有統一性,特別是黑洞活動的基本平面關係(吸積過程和另外一個相反的過程噴流以及黑洞質量之間的關係)的發現暗示黑洞吸積理論在黑洞質量跨越了約9個量級的尺度上仍然具有某種強的關聯,具體如圖5所示。

圖5. 黑洞活動的基本平面關係,其中Lx表示X射線光度一般表徵吸積過程的輻射,LR表示射電光度一般表徵噴流的輻射,M表示黑洞質量。圖源 / Merloni et al.2003[5]

自然界給我們展示出了豐富多彩的觀測現象,但是其背後的基本物理規律往往並沒有那麼複雜。像黑洞吸積理論這樣在黑洞質量跨越了9個量級尺度仍然成立的物理規律自然界能有多少呢?

/點亮高能宇宙的引擎

對黑洞吸積過程的深入研究可以幫助精確測量黑洞的基本參數,檢驗黑洞周圍強引力中的物質運動規律,普查不同尺度黑洞在宇宙中的分佈。真實宇宙中黑洞的吸積環境非常複雜,以黑洞吸積為基礎可以衍生出如,X射線雙星、超新星、類星體、耀變體、活動星系核、黑洞照片(M87,銀河系中心Sgr A*),黑洞潮汐瓦解恆星事件以及伽馬射線暴等豐富多彩、絢爛無比的高能天文現象。

參考文獻 /

1.Shakura, N. I., Sunyaev, R. A. 1973, A&A, 24, 337

2.Abramowicz, M. A., Czerny, B., Lasota, J. P., Szuszkiewicz, E. 1988, ApJ, 332, 646

3.Narayan, R., Yi, I. 1994, ApJ, 428, L13

4.Balbus, S. A., Hawley, J. F. 1991, ApJ, 376, 214

5.Merloni, A., Heinz, S., di Matteo, T. 2003, MNRAS, 345, 1057

作者簡介 /

喬二林,博士,國家天文臺星雲人才計劃研究員,博士生導師,國科大崗位教授。主要研究方向為:緻密天體吸積理論,及其在X射線雙星、活動星系核以及黑洞潮汐瓦解恆星事件中的應用。

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