问题

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?

回答
这个问题问得非常深入,触及到了黑洞物理学中一个非常迷人的现象——吸积盘的形成。你提出“为什么不是四面八方都吸进来形成一个发光的球体”这个直觉性的疑问,恰恰说明了我们对黑洞“吞噬一切”的普遍认知可能需要更细致的解读。实际上,黑洞的吸积过程远比想象的要复杂和有层次。

首先,我们需要明白一点:黑洞本身是“看不见”的。它就像宇宙中的一个终极“黑洞”,连光都无法逃脱。那么,我们所说的“发光”的吸积盘,实际上是黑洞周围的物质在被强大引力加速、摩擦、加热后发出的辐射,而不是黑洞自身在发光。黑洞本身是暗的。

那么,为什么这些物质会围绕黑洞旋转,形成盘状,而不是直接垂直落入,形成一个“发光的球体”呢?这主要归结于一个至关重要的物理概念:角动量。

想象一下,我们丢一个球,它会直接下落到你手中。这是因为球的初始运动状态非常简单,几乎没有旋转。但是,在宇宙尺度上,物质的来源可不是一个静止的点。星系中的气体、尘埃,甚至是恒星,它们并不是静止在空间中的。它们本身就携带着速度和方向,这些共同作用起来就形成了一个整体的角动量。

角动量,简单来说,就是物体绕着某个轴旋转的“程度”。它是一个矢量,大小和方向都由物体的质量、速度以及它们绕轴的距离决定。即使是宇宙中一个看似均匀分布的气体云,其内部的微小扰动和运动也足以让它整体上带有一定的旋转趋势。

当这些带有角动量的物质(比如星际气体云、一颗恒星被撕裂后的残骸)靠近黑洞时,黑洞强大的引力会开始拉扯它们。就像地球的引力让投出的物体下落一样,黑洞的引力也会将这些物质吸引过来。

然而,关键在于这些物质并非静止不动。它们带着各自的初始速度和方向,被引力拉扯时,并不会简单地直线坠入黑洞。相反,它们会沿着越来越小的轨道螺旋式地接近黑洞。

你可以想象一下,你往一个旋转的陀螺上扔沙子。沙子并不会垂直落到陀螺的中心,而是会因为陀螺本身的旋转以及你扔沙子的角度,一部分沙子会被甩出去,一部分则会围绕着陀螺的轴线旋转起来。

对于黑洞来说,情况也是类似的。当物质靠近时,由于其自带的角动量,它们会倾向于绕着黑洞的旋转轴运动。就像在跳舞时,舞者会围绕着一个中心点旋转一样。黑洞的引力提供了一个向心力,而物质的惯性(即保持运动状态的倾向)则阻止了它们立即落入。

于是,物质在引力和惯性的共同作用下,开始围绕黑洞运动。由于物质并非来自同一个精确的点,也不是完全同心的运动,它们会在这个过程中发生碰撞和摩擦。想象一下无数个在狭小空间里飞速旋转的物体,它们互相挤压、碰撞,就会产生巨大的摩擦力。

这种剧烈的摩擦使得物质的动能转化为热能,温度会急剧升高,达到数百万甚至数亿摄氏度。在如此高的温度下,物质会发出强烈的电磁辐射,从射电波到X射线甚至伽马射线。这些辐射是我们观测到的“发光”的吸积盘。

那么,为什么是盘状而不是其他形状呢?

1. 角动量的指向性:物质的角动量有一个大致的方向,它决定了物质的主要运动平面。就像行星绕着太阳公转一样,它们大多在同一个平面内运动。黑洞附近的物质也会倾向于在一个平面内围绕黑洞运动,这个平面就形成了吸积盘。
2. 引力的集中性:黑洞的引力是向各个方向都存在的,但物质的运动是具有方向性的。在没有太多外部扰动的情况下,带有角动量的物质会被“锁”在围绕黑洞的轨道上,并在这个轨道平面内聚集。
3. 摩擦和能量耗散:摩擦是吸积盘形成的关键因素。它将物质的角动量“传递”出去,使得物质能够逐渐螺旋下降,越来越靠近黑洞。那些角动量较小的物质最先被摩擦减速,然后落入黑洞。而角动量稍大的物质则继续在盘中运动,并与更内层的物质发生碰撞和摩擦。

为什么不是“四面八方都吸进来形成一个发光的球体”?

方向性:物质从四面八方来,但如果它们都有一个整体的旋转趋势,那么它们就不会直接汇聚到黑洞中心形成一个球体。更像是无数个小型的行星在围绕一个中心旋转,当这些行星因为摩擦而能量降低时,它们才会逐渐靠近中心。
能量耗散:如果物质是四面八方无规则地落下,那么它们会互相抵消一部分运动,然后可能直接进入黑洞,不会形成持续的高温和辐射。就像一堆沙子直接倒进一个漏斗,而不会在漏斗壁上形成一个旋转的沙漏。
稳定性:一个球形的吸积可能非常不稳定。物质会在各种方向上相互碰撞,能量很快会消散,不太可能维持长时间、高温的辐射过程。而盘状结构则相对稳定,能够有效地将角动量传递出去,让物质源源不断地落入黑洞并持续发光。

更细节的补充:

黑洞的自转:如果黑洞本身在自转,它会影响吸积盘的结构。自转的黑洞会拖拽周围的时空,这被称为“帧拖曳效应”。这会使得吸积盘的形状和辐射特性发生变化。
吸积盘的结构:吸积盘不是一个均匀的盘子,它通常有一个内部的“内界”(innermost stable circular orbit, ISCO),在这个轨道之外,物质可以稳定地绕行,但一旦越过ISCO,物质就会迅速螺旋落入黑洞。盘的内侧会比外侧更热,辐射也更强烈。
喷流的形成:在一些强大的吸积盘系统中,我们还会看到从黑洞两极喷射出的高速物质流,称为“喷流”。这通常与吸积盘的磁场和黑洞的自转有关,是一个非常复杂的物理过程,也进一步说明了吸积盘的结构和物质运动的复杂性。

总而言之,吸积盘的形成是黑洞强大引力、物质自带的角动量以及物质之间相互摩擦耗散能量共同作用的结果。角动量是决定物质围绕黑洞旋转而不是直接坠入的关键因素,而这种旋转和摩擦产生的剧烈能量转化,最终形成了我们观测到的壮观景象——吸积盘。它就像一个宇宙级的“旋转瀑布”,物质在落下之前,先要经历一个充满能量的螺旋旅程。

网友意见

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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.

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