黑洞如何将周围吸积盘发出的光反射回自身?

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  作者:文/虞子期

  虽然,只要我们一抬头就能看到像太阳那样的普通恒星、像月亮那样借着恒星光照亮行星的卫星,以及夜晚星空中可能看到的各大不知名星系。但毫无疑问,黑洞一定是整个宇宙中最特殊的存在体之一,与此同时,它也是当物质被压缩到一定密度时的终极产物。它们中的一些就像是曾经闪耀过的巨型恒星“墓碑”一般,演化到生命末期的恒星在一场超新星爆炸中,由于受到自身引力作用发生坍塌而形成黑洞。

  

  黑洞也有大小之分

  既然恒星存在不同的生命长度和演化阶段,那由恒星残骸所形成的恒星质量黑洞也有大小之分。比如:

  恒星质量黑洞,相当于数十个太阳般大小的恒星构成,就现阶段的研究来看,一般处于太阳质量的20倍到70倍之间。而截至目前,科学家们已经观测到的黑洞LB-1,便是恒星级黑洞中质量最大的一个黑洞,它大约达到了太阳质量的70倍左右。

  而超大质量黑洞的质量,则可以达到数十亿个太阳质量的累加值。但与恒星级黑洞有所不同的是,超大质量黑洞的施瓦西半径值使得其密度可以比空气更低,而此类黑洞可能形成的方式也不止“恒星级黑洞的吸积过程”这一种。并且,一个星系中可能更广泛地分布着恒星质量黑洞,但星系的核心则只可能属于超大质量黑洞。

  

  事件视界不是具象存在

  当然,不管黑洞按质量的大小如何进行划分,但无一例外,只要是黑洞所覆盖的区域内,总是具有极强的重力作用,这股力量不仅可以弯曲光线,而且还能够扭曲时间和空间。并且,我们经常提到的所谓的事件视界,其实也只是我们这样的远观者所构建起来的特殊界面,主要目的是为了让大家更加具象地了解,这是一个物质一旦靠近就会被摧毁的不可变界面。

  但事实上,对于那些正在接近黑洞事件视界的物体而言,却并不存在这样一个具象的特殊界面。从本质上来说,这主要是因为观测者的世界线,以及跨越该事件世界的光锥本就不可能发生相交。所以,这些物体完全不知道自己即将跨越事件视界这道最后的安全界限,这大概也就是所谓的当局者迷,旁观者清吧。

  

  能否逃逸-需要区分黑洞的事件视界范围,以及黑洞周围旋转的吸积盘

  相信很多人对黑洞的了解,都包括了“就连光线也无法逃脱黑洞的引力”这个主要特征,这也是“黑洞”这个天文名词的根本来源。的确,当其他物质(包括光)处于黑洞事件视界范围之内的时候都会被直接吞噬,而这个所谓的安全距离就跟该黑洞的史瓦西半径值直接相关。

  

  从理论的层面来讲,其实所有物体都可以在自身质量条件下,进一步被压缩为一个具有特定大小的黑洞。像我们赖以生存的地球在被压缩后便大约只有9毫米的史瓦西半径值,而质量相对更大的太阳在被压缩之后,则可以达到3公里左右的史瓦西半径值。

  但是,不管这个黑洞的质量有多大,以及它的史瓦西半径值是多少,它们的周围都会存在围绕其旋转的材料盘,也就是所谓的吸积盘。而那些处于黑洞周围旋转材料盘中的光,却因为距离相对更远而能逸出一部分。这便是科学家们在观察到那些正在生长的黑洞的时候,为什么会看到黑洞正通过明亮的X射线发光

  

  黑洞周围吸积盘中的光-一部分摆脱引力束缚,一部分反射回自身

  当然,即便是那些位于黑洞周围旋转材料盘中的光,也不是都可以摆脱来自黑洞奇点所释放出的引力作用。尽管这些物质盘并不位于事件视界范围之内,但其中的一部分会反作用于黑洞,从而产生一股强大的拉力。当这股力量向后转的时候,便足以使其从磁盘弹回。

  

  也就是说,那些原本想要从磁盘逃离的光,在被拉回黑洞的时候反射回了太空。这项新的研究结果,其实是分析了之前的“黑洞以日照恒星为食”的观测数据。简单来说,其实就是科学家们通过对双星系统XTE J1550-564爆发期间的实际观测数据进行分析。

  然后,研究结果表明:

  并不是所有X射线都直接摆脱了黑洞的引力作用,而是在反射作用下通过黑洞吸积盘中的光避开。

  也就是说,现有的观测数据实现了将反射的光和直射的光进行区分。在下面这张图片中,已经形象地展示了原本位于黑洞周围吸积盘的部分光,是怎样在黑洞自身引力的作用下重新折回到磁盘里,并再次从磁盘反射回去。

  

  其实,科学家们对“巨型黑洞周围的光也难逃逸黑洞的引力作用”的理论预测已有40年左右的时间,只是该理论直到现在才通过观测数据首次分析出最终结果。与此同时,爱因斯坦的广义相对论也再次通过新的研究结果而间接被证实,这对于科学家们之后研究黑洞的自旋速率也提供了重要的帮助。

  

  为什么与黑洞有关的问题总是难以解答?

  尽管我们都知道一个较大的星系中心,通常都存在一个超大质量黑洞,而宇宙中的星系数量又数以亿计,黑洞的演变过程对星系中恒星的诞生起到了至关重要的作用。正如我们银河系的中心,也存在一个超大质量黑洞人马座A*(距离相隔大约26000光年,相当于400万个太阳的质量叠加)。

  但是,即便我们知道不同大小的黑洞普遍存在于宇宙中的各大星系,但目前人类对此类天体的了解依然还很有限。虽然,我们对恒星质量黑洞已经有一定的了解,其中的较大一部分都是巨型恒星以超新星形式结束自己生命后留下的残骸。但是,那些超大质量黑洞的形成方式则并不唯一,也不确定。并且,不管黑洞以何种方式形成,以及它的质量到底有多大,它们都是整个宇宙中本身密度值最大的物体,没有之一。

  

  众所周知,黑洞所释放出的强大引力场源自于其中心的奇点,并且,我们无法通过观测设备对物质掉入黑洞的过程进行记录。目前科学家们能够观测到的部分,也只有位于黑洞附近的吸积盘,而原因则是当这些吸积盘中的物质在高速运动的时候,它们会形成强烈的高能辐射。

  

  简而言之,以我们和其他星系中超大质量黑洞的距离来看,科学家们是没办法看到有哪些物质跨越黑洞的事件视界的,能够被观测到的只是物质靠近黑洞的速度变得越来越慢。或许很多人都有所不知:

  当科学家们在研究黑洞这种神秘而特殊的天体时,不仅会涉及到关于亚原子粒子行为相关的科学内容,同时还会连接到难以用逻辑解释清楚的量子力学,而这两种科学内容又是不同类型的物理理论。

  

  与此同时,之所以黑洞如此难以研究,其中还涉及到了广义相对论这一物理学领域。并且,从霍金辐射理论来看,这些拥有强大引力的黑洞最终也很可能跟宇宙中的其他物体一样终将消亡。当然,除去黑洞本身的特殊性以外,之所以人类很难对黑洞有里程碑式的研究结果,大概也受限于目前的科学技术水平,这也是为什么科学家们从未停止研制更先进的探测仪器来捕获黑洞的更多关键信息。

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