黑洞吸積理論簡介

01-27

今年暑假在中國科學院上海天文台實習期間，我接觸到了黑洞天體物理中一個非常重要的研究方向--黑洞吸積。

我將我所了解的黑洞吸積的概念與大家分享，歡迎大家共同討論及學習。

首先介紹下黑洞吸積的概念：黑洞周圍的氣體在黑洞強大的引力作用下，會朝向黑洞下落。這個過程被稱作「黑洞吸積」。由於氣體具有一定的角動量，這些氣體下落過程中會形成一個盤，如同太陽系的各大行星軌道平面一樣，這就是黑洞吸積盤。

黑洞吸積是天體物理中的一個基本物理過程，是我們理解一些重要的天體物理現象，比如活動星系核（經Yeoman指出銀河系中心並不是一個活動星系核）、黑洞X射線雙星和伽馬射線暴等系統的重要物理基礎（而之前介紹黑洞天體物理的時候也提到過，這三類天體也是黑洞天體物理的主要研究對象）。此外，吸積理論對於我們了解其他一些天體物理過程，例如行星形成、恆星形成、星系團中的製冷流等也起著非常重要的作用。

在天體物理中，當氣體落到一個大質量天體上時，氣體的部分引力能會被釋放出來，Salpeter在1964年敏銳地指出，大量釋放引力能的最簡單的方式是黑洞吸積。

隨後在1969年，著名的Lynden Bell討論了射電噪類星體的能源。類星體的壽命約為 $10^{8}$ 年，因此，光度為 $10^{46}erg~s^{-1}$ 的類星體在一生中釋放的總能量為 $10^{61}erg$ ，即 $10^{7}M_{odot}$ 。很明顯，這也是類星體的能量下限。定義核反應的能量釋放效率為 $eta$ ，所生成的能量為E，質量為M，則根據公式 $eta=frac{E}{Mc^{2}}$ ,得到的 $etaapprox0.7%$ 。而對於一個尺度為 $10^{15}cm$ 、質量為 $10^{9}M_{odot}$ 的類星體，其所蘊含的引力勢能至少將達到 $10^{62}erg$ 。因此，Lynden Bell認為，類星體的最重要的能源是引力收縮。

讓我們考慮一個質量為M的史瓦西黑洞，其半徑就是引力半徑 $R_{g}=frac{2GM}{c^{2}}$ 。在距離黑洞中心r處、質量為m的物體的引力勢能為 $U=frac{GMm}{r}$ 。如果物體從遠處被黑洞吸積到 $5r_{g}$ 處，它所獲得的能量E在不考慮相對論效應時為 $E=frac{GMm}{5R_{g}}=0.1mc^{2}$ ，這意味著能量轉化的效率 $eta=0.1$ ，比核反應的效率高了一個量級。

這也驗證了Salpeter和Lynden Bell的理論。

與黑洞吸積現象幾乎同時存在的是噴流。

噴流是天體附近噴射出的定向、狹長、高速物質流，被稱為「宇宙火柱」。宇宙中很多星系的中心都存在巨大黑洞（例如我們銀河系中心的超大質量黑洞 $SgrA^{*}$ ），當周圍的天體物質落入黑洞時會噴射出火焰般的噴流。它們具體表現為在吸積盤在吸積盤的轉動軸方向發出準直性非常好的物質、能量外流，速度一般接近光速，尺度要比吸積盤大得多。噴流的產生是黑洞吸積領域長期以來重要的也是困難的研究課題。本篇文章的封面圖片就是一個標準的活動星系核的模型，可以直觀地去了解黑洞吸積與噴流。

以上是對黑洞吸積基本概念和意義的基本介紹。我將在之後的每個周五，著重對黑洞吸積中黑洞吸積盤的概念進行介紹。

如有任何疑問和不足，歡迎各位討論。

參考文獻：

[1].加藤正二. 黑洞吸積盤[M]. 科學出版社, 2016.

[2].袁峰. 黑洞吸積理論及其天體物理學應用的近期發展[J]. 天文學進展, 2007, 25(2):285-295.