说起黑洞,大家的第一印象就是:这是一个密度极大的天体,连光都无法逃脱它的吸引力,光线只能进不能出,所以我们看它就是黑乎乎的球,像是宇宙中深不见底的洞一样。

光都不能逃出黑洞,为什么X射线流却可以?-MAAMX

黑洞

大多数时候,黑洞看起来并不是这样,它比宇宙中绝大多数的星星都要明亮,散发出耀眼的光芒。并且在黑洞的两端会喷射出强烈的X射线和等离子体气流,这些光柱被称为天体物理射流,它会一直延伸到几千光年远的地方。

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黑洞喷射X射线流

比如说,非常著名的超大型黑洞M87*,它向太空喷射的天体物理射流就长达5000光年,以至于哈勃太空望远镜很容易就能找到并定位它。

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M87*黑洞与它的天体物理射流

那么问题来了,我们都知道黑洞之所以称为黑洞,就因为它的重力极其强大,连光都无法逃脱其引力;并且我们也知道X射线就是光,为什么它没有被黑洞吞噬,反而被喷射到如此远的距离呢?难道这就是传说中的霍金辐射?

首先可以确定的是,黑洞发出的天体物理射流与霍金辐射之间没有什么关系,这是完全不同的两个概念。关于霍金辐射,我们将在以后的文章中专门加以介绍,因为那也是个十分有趣的课题。

黑洞是个贪婪的家伙

黑洞是宇宙中最强的喷子,同时也是宇宙中最大的饕餮,它吞噬所有靠近自己的一切。不管是恒星、行星还是细小的灰尘,只要你进入到黑洞的引力范围,都会被它拉扯着跳起死亡华尔兹,最后难逃被撕扯得粉碎,再一点点吃掉的命运。

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吞噬恒星的黑洞

黑洞吃东西的过程很婉转也很艺术,它并不是扑上去一口吞掉,而是先拉着恒星跳舞。因为黑洞的密度极大,它的质量也大多超过一般恒星,所以恒星进入黑洞的引力场后,会先围绕着黑洞旋转。在旋转的过程中,恒星上的一部分气体受到黑洞的潮汐力拉扯渐渐离开母星,被黑洞吸走。

大多数气体在飞向黑洞时并不会对准黑洞的质心,这时候气体流就有了角动量,它们会围绕在黑洞周围极快地旋转并逐渐向中心积聚,这就是我们常说的吸积盘。

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黑洞吸积盘的形成

星际间的物质大多由氢、氦等元素以及这些元素的化合物构成,当它们被黑洞吸引、围绕黑洞高速旋转的同时,由于角动量守恒,它们不会立即掉入黑洞。随着越来越多的气体和尘埃被黑洞的引力吸引,吸积盘的密度会越来越大,气体与颗粒间的碰撞摩擦也越来越剧烈,于是产生极高的温度和强大的能量。

对于单个粒子,当它围绕着黑洞旋转时,我们可以画出它的运动轨迹:

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单个粒子的运动轨迹,从赤道方向和从北极方向观察的动画

而那些更加远离黑洞事件视界的粒子,它们的运动轨迹则显得更有规律一些:

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粒子在吸积盘中的运动轨迹

如果粒子因为受到碰撞而减速,它就会迅速掉进黑洞的事件视界,再也出不来了:

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粒子失去角动量掉入黑洞

黑洞也发热发光

文章的开头提到,大多数的黑洞看起来并不“黑”,它们都是宇宙中最亮的星星,这到底是为什么呢?

这些明亮的黑洞被称为“类星体”,它的光和热是由其外层炙热的吸积体发出的。黑洞在吞吃星体的过程中将大量的气体和尘埃吸引在自己的周围,这些稠密气体与尘埃在极高速旋转的过程中剧烈碰撞摩擦,从而将大量的质量转化为光和热,同时光和热因为受到黑洞强大引力的牵引无法逃离,所以它们会越来越多地聚集在黑洞周围,形成光子球。

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稠密气体相互碰撞产生强大的光和热

与此同时,黑洞的吸积盘也不总是薄薄的一层,因为黑洞的引力极大,边缘的气体会向中心聚集,从而使得靠近事件视界的区域形成一团极高温度的等离子流体,粒子在相互碰撞中向高纬度区域堆积爬高,一直到黑洞的两极附近。

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黑洞吸积形成射流

黑洞吸积盘的摩擦是如此剧烈,以至于在靠近事件视界的地方,吸积物剩余质量的40%都被转化为了电磁辐射,其中主要是X射线辐射。要知道在恒星的内核,强大核聚变的转化效率仅有0.7%。

相对论射流

在黑洞事件视界的外表面,尽管吸积物产生的大量超高温等离子体和X射线的光子还没有被吞噬,但它们也无法逃离,光子会沿曲线飞行。同时在外围星尘的巨大压力下,那些还没有被吞噬的物质会向黑洞两极聚集,最后以接近光速的速度沿着吸积盘的两个旋转轴线抛射出来。

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黑洞喷射出射流

天体射流的形成和动力是高度复杂的现象,与许多类型的高能天文来源有关,同时也与吸积盘在高速旋转过程中产生的强大磁场有关。由于射流产生的位置在黑洞事件视界的范围之外,黑洞对它的吸引力比较小,因此射流物质才有可能高速逃离黑洞而不被吞噬。

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被称为“阿尔芬波”的黑洞射流模型

事实上有相当多的星际物质都是在被黑洞搅拌粉碎之后抛向太空的,黑洞并不完全吞噬靠近它的恒星,有相当一部分的恒星物质都被它转化为气体和射线流喷射到了宇宙之中。

总结:

黑洞的强大引力确实能吸引光,光子进入黑洞的事件视界范围内无法逃离,所以我们无法看见里边究竟有什么和发生了什么。

黑洞只有在吞噬靠近的物体时才会向外喷射X射线和气体物质。

在黑洞的事件视界之外,它不能捕获光子,但同样有极强的引力,它撕扯和粉碎靠近的恒星,使恒星的气体围绕自己高速旋转形成吸积体,由于极高的旋转速度,大量物质被电离并形成包括X射线在内的高能辐射流。

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黑洞射流是在事件视界外形成的

辐射流受到外围吸积气体的挤压,以接近光速的速度从黑洞的两极喷射到太空,从而形成了我们看到的天体物理射流。这就是它为什么可以逃离黑洞强大引力的原因。