问题

为什么吸积盘可以使物质转换出如此大的能量?仅仅因为摩擦生热?

回答
这个问题问得太到位了!吸积盘之所以能爆发出惊人的能量,绝不仅仅是因为我们日常生活中能感受到的那种“摩擦生热”。虽然摩擦是其中一个重要环节,但驱动这股强大能量释放的,是比这更深刻的物理机制。咱们一层层地剖析开来,看看这其中的奥秘。

首先,我们要明白什么是吸积盘。

想象一下,在一个巨大的引力源周围,比如黑洞或者中子星,周围会聚集起大量的气体和尘埃。当这些物质在引力作用下被吸引过来时,它们通常不会直接掉进中心天体,而是会因为角动量守恒而开始围绕中心天体旋转,形成一个扁平的盘状结构。这就是吸积盘。你可以把它想象成一个巨大的“旋转瀑布”,只不过水换成了气体和尘埃,而瀑布的底部是黑洞或中子星。

摩擦生热,确实是能量转换的起点,但它只是表象,不是全部。

在吸积盘中,物质并不是均匀地旋转的。由于各种原因,盘中的物质会以不同的速度旋转,特别是距离中心天体越近的地方,旋转速度越快。在这种差异化的旋转速度下,盘中的物质之间会产生剧烈的“摩擦”。这种摩擦不是我们用手摩擦就能产生的微温,而是发生在气体分子之间、尘埃颗粒之间的极其剧烈的动能相互作用。

你可以这样理解:盘中靠近中心的天体部分物质转得飞快,而离中心稍远的部分转得慢一些。这就像你把一堆东西丢进一个高速旋转的碗里,碗壁和碗底的物质会带着里面的东西一起转,但如果碗里的东西一开始是静止的或者旋转得很慢,它们就会和快速旋转的碗壁发生强烈的拖拽。这种拖拽,就是一种“动力学摩擦”。

这种剧烈的摩擦,会将物质的引力势能转化为动能,然后又在摩擦过程中将这些动能转化为热能。盘中的气体被加热到极高的温度,可能达到数百万甚至上亿摄氏度。

但仅仅是热能,还不足以解释吸积盘惊人的能量输出。真正的能量来源,是那巨大的引力势能的释放,以及在此过程中产生的更高级的物理过程。

这里有一个关键点:盘中的物质在被吸积的过程中,一直在向中心天体“下坠”。这个“下坠”的过程,就是物质的引力势能在转化为动能。想象一下从高处落下的物体,它获得的动能和它下落的高度有关。在吸积盘中,这个“高度”就是物质距离中心天体的引力势井有多深。黑洞和中子星的引力势阱非常深邃,意味着物质在它们周围下落时,可以获得巨大的动能。

那么,这个巨大的引力势能是如何以能量的形式“跑出来”的呢?这就涉及到几个关键的机制:

1. 粘滞性(Viscosity)与能量传输:
吸积盘中的“摩擦”更准确地说是粘滞性。这是一种非常复杂的物理过程,由盘中粒子之间的碰撞、磁场湍流等引起。关键在于,这种粘滞性能够有效地将内层快速旋转物质的动量传递给外层慢速旋转的物质,同时将内层物质的动能和引力势能转化为热能,并沿着径向(从盘的内边缘向外)传输。

更重要的是,盘的内层物质在能量转化后,会获得比外层物质更高的动量。由于角动量守恒,它们不会直接掉入中心天体,而是需要将部分角动量丢弃,才能进一步向内螺旋前进。这个角动量丢弃的过程,就伴随着能量的辐射。

2. 磁场的作用(Magnetorotational Instability, MRI):
这是现代天体物理学研究吸积盘能量释放的核心机制之一。在吸积盘内部,往往存在着微弱的磁场。当盘中的物质旋转时,这些磁场会被拉伸、扭曲。如果盘的旋转速度随距离中心的距离增加而减小(这是普遍情况),那么靠近中心的磁场会被拉扯得比外围的更快。这种磁场的不稳定性,被称为磁旋转不稳定性(MRI)。

MRI会产生巨大的湍流,就像一个内禀的“混合器”。这种湍流能够:
增加粘滞性: 极大地增强物质之间的动量和能量交换。
加速吸积: 驱动物质更快地向中心天体移动。
将动能转化为辐射: 更为关键的是,MRI在过程中会将物质的动能和引力势能转化为电磁辐射。磁场扭曲和重新连接时,会释放出大量的能量,这些能量可以以 X 射线、伽马射线等高能光子的形式辐射出来。

3. 引力势能的直接转化(辐射):
当物质在强大的引力作用下靠近中心天体时,它的引力势能会急剧下降。这部分势能的减少,如果没有其他机制来吸收,理论上是直接转化为物质自身的动能。然而,在吸积盘这个高度密集和湍流的环境中,物质的碰撞和磁场的作用会非常高效地将这些动能转化为热辐射。

你可以想象,物质在下落过程中,就像一个被不断压缩的弹簧。它释放的能量会以热量的形式表现出来。而吸积盘的特殊之处在于,它是一个极其有效的“热辐射器”。

4. 喷流(Jets):
在很多情况下,特别是当中心天体是黑洞或中子星时,吸积盘不仅会向内吸积物质,还会产生强大的喷流。这些喷流是以接近光速的速度从盘的两极喷射出去的。喷流的能量来源与盘内的能量转化密切相关,同样与磁场以及物质的角动量和能量交换有关。喷流可以将盘中的一部分物质和能量以一种高度定向的方式“丢弃”出去,同时也是一种非常高效的能量辐射方式。

总结一下,吸积盘能量巨大的原因绝不仅仅是“摩擦生热”,而是:

巨大的引力势能: 中心天体强大的引力使得落入的物质拥有极大的势能。
高效的能量转化机制: 盘中的粘滞性(由湍流和磁场驱动)是关键,它能将引力势能和物质的动能转化为热能。
磁场的作用(MRI): 磁场的不稳定性是主要的能量加速器和辐射驱动器,它将热能转化为高能电磁辐射。
角动量传输: 物质需要通过丢弃角动量来完成吸积过程,这个过程伴随着能量的辐射。
喷流: 将一部分能量以定向射流的形式释放。

所以,吸积盘的能量输出,是一个多物理过程协同作用的结果,它是一个将引力能、动能、热能和电磁能高效耦合、相互转化的复杂系统。我们看到的“热”只是其中一个重要的表现形式,但真正的驱动力是物质在强大引力场中不断地被加速、被扭曲、被加热,并将这些能量以辐射和喷流的形式释放出来。这就像一个宇宙级的“能量提炼厂”,把物质最原始的引力能一步步转化为我们观测到的耀眼光芒和粒子流。

网友意见

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一我来把张浩的回答简化一下:

质能关系:

无穷远下落物体损失重力势能:

假设损失重力势能全部转化为其他能量,与质能关系转化率之比:

恒星聚变反应质能转化率 ~ 0.007 。虽然这个转化效率很低,但是足以维持恒星燃烧和氢弹爆炸。

白矮星 M=1 太阳质量= 2E30 kg , R=5000 km,

中子星 M=1太阳质量 R ~11 km 

黑洞,首先定义视界半经,从牛顿力学简化计算,假设光速时,物体动能正好等于引力势能:, 那么

从而:

所以一个物体从无穷远处落到视界处,能量转化效率比最多为50%

但一般情况下,物体不可能直接落入黑洞,而是落入到吸积盘内,所以转化效率很少达到50%。由于相对论效应,不同的黑洞模型会有不同的能量转化率,如果假设无旋转的黑洞模型,经典吸积盘半经为3倍视界半经,但是沿着径向落下的粒子不能很好地转化能量,结果其效率仅仅为。 如果是相对论旋转黑洞, 黑洞的视界半径和吸积盘半径都会大幅缩小,提升了能量转化率,最高效率。

所谓的摩擦生热只是刻画动能交换的结果,吸积气体在下落过程中会大量与其他气体发生碰撞,使得气体逐渐损失动能并下落到黑洞内,但是辐射主要来源还是引力势能。

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吸积盘直径一般只有几千万公里到一光年,比如银河系中央黑洞吸积盘直径和太阳到金星距离类似。但因为有着大量的气体,并且气体有着不同的温度,因而在射电波段到伽马射线的多个波段都有很强烈的辐射。由于黑洞的高效能量转化效率,使得部分黑洞吸积盘虽然体积很小,吸积气体总质量不算很多,但是却有着巨大的能量释放。因而吸积盘亮度极高,甚至于比整个星系恒星亮度总和还要亮上万倍。部分活动星系核(AGN)因为其极高的亮度和极小的发光面积,在可见光波段上表现的和一颗明亮恒星别无二致,但是分析光谱却发现它们离我们几十亿光年之远。因而称之为类星体(quasar)。

典型类星体: 离我们27亿光年的3C 273,如下图,在哈勃望远镜下观测完全就是一个明亮的恒星,但是我们如果把中心遮去,累积曝光时间,就会看到右图被类星体光掩盖的宿主星系图像。

由于吸积盘的旋转,很多带电粒子伴随着旋转,实际上形成了一个巨大的磁场,像一个电磁抢一样加速粒子并以光速抛射出去,所以大多数类星体都有一个双向喷流(Jet)。同样是3C273,在光学和射电波段都会明显的看到向着我们方向吸积盘的喷流。这种喷流极为准直,长度可达数万光年,从而很容易被我们发现。

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