为什么黑洞会有吸积盘，而不是四面八方都吸进来物质，形成一个发光的球体呢？ 第1页

吸积盘是一个由高度电离或分子形式的气体构成的转动的气体盘，在具有引力作用的天体（原行星、主序星、白矮星、中子星以及黑洞）周围基本都存在。

传统意义上，吸积盘的图像是有点像火星和木星之间的小行星带，以标准薄盘（α-Model）为例，吸积盘是几何薄而光学厚的。

那么，为什么会形成吸积盘而不是吸积球呢？主要有两个原因：角动量和黏滞。（以下内容以不拿诺奖不改名：Note：旋转跳跃我闭着眼--黏滞项、角动量、吸积盘中的知识为主）

角动量

就像地球绕着太阳运动一样，盘中的气体在不同半径处以不同的角速度绕黑洞旋转，进而形成稳定的圆轨道，这意味着气体受到的引力正好被离心力所平衡，即：，其中是引力常数，是黑洞的质量，是气体距黑洞奇点的距离，是气体的角速度。我们可以看出，越靠近黑洞，角速度变越大，这种较差转动规律被称作开普勒转动。

在这里我们引入一个概念：最内稳定圆轨道（ISCO）。

我们知道，黑洞吸积盘是由围绕黑洞做圆周运动的气体组成的，且吸积盘中存在角动量转移，质量会从盘外侧转移到盘内侧。这个过程会一直持续到吸积物质到达吸积盘内边界。但是由于黑洞自身的时空性质束缚了吸积盘的内边界，因此当吸积物质靠近黑洞到一定距离时，稳定的圆轨道将不会存在。而正好保持有稳定圆轨道的位置，就是黑洞吸积的最内稳定圆轨道半径。

说实话，在EHT的论文公布之前，我（以及一些专业的天文学家）以为拍摄到的Shadow实际上来自于ISCO的。然而事实上EHT拍摄到的是光子捕获半径，不是ISCO，这是两个完全不同的概念（然而大部分天文学家也都会混淆这两个概念）。

有人可能会觉得吸积盘和太阳系中八大行星的运动轨道类似，但实际这其中有着很大的区别。区别就在于接下来要提到的这一个词：黏滞。

黏滞

吸积盘虽然和太阳系中行星一样拥有着稳定的轨道，但是与之又不同的是，吸积盘中存在着一种叫黏滞的摩擦作用。在黏滞作用下，吸积盘中的气体会被加热并放出强大的辐射，这也被认为是类星体耀眼的光以及黑洞X射线双星的X射线辐射的来源。

而在这个问题中，黏滞的重要性体现在它主导了气体层之间的角动量转移。

角动量转移的关键，就在于吸积盘中相邻气体层之间的黏滞作用。说详细点就是，通过内、外层气体之间的黏滞作用，角动量较大的内层会损失角动量，然后向内掉落，而角动量较小的外层会获得少量角动量。于是，吸积盘中的气体逐渐向黑洞中心掉落，这便是我们一直在说的吸积过程，在这过程中，质量向内转移，角动量则向外转移。

于是，如上文所说，在黑洞附近，引力向内增长的太快，所以在比最内稳定轨道更靠近黑洞的地方，会形成如图二所示的粒子真空区。当气体由盘外持续供给时，吸积盘会形成一个稳态。

那么黏滞项是如何在角动量转移中扮演重要角色的呢？

我们假设一个位于点质量势 中的试探粒子。那么如果粒子相对黑洞中心没有角动量，在此情况下，粒子将直直向黑洞奇点飞去（除非粒子的径向速度 ）。而此时，我们给粒子加一个转动微扰，不论这个微扰有多大，粒子都具有了非零的角动量，此时，粒子将绕着黑洞中心旋转。

众所周知，如果有一个给定的比角动量 （ 为开普勒值），当轨道为圆形时，试探粒子的比能量达到最小。而在上文中我们知道，吸积过程是一个角动量向外转移而质量向内转移的过程，那么我们预计最终气体会形成一个稳定的圆形吸积盘。而在上文中，我们知道，黑洞的引力与离心力平衡时才会形成稳定的圆形吸积盘，那么有 ，因此圆轨道半径 。

由此我们可以发现，不考虑黏滞项时，只有角动量守恒的情况下，粒子无法到达黑洞中心或者在形成稳定圆轨道之后释放引力能，从而也就没有物质吸积，而会形成类似于太阳系行星轨道一样的情况。而在我做的数值模拟中，当我不加入黏滞项只考虑角动量守恒时，初始物质在演化过程中是静止不变的。而当我加入黏滞项缺不考虑角动量守恒时，吸积物质会瞬间落入黑洞视界（引力效应）。因此，黏滞项和角动量守恒在吸积过程中的作用是毋庸置疑的。

参考文献：

加藤正二. 黑洞吸积盘[M]. 科学出版社, 2016.