黑洞吸积：点亮高能宇宙的引擎

图1. 黑洞照片：M87和银河系中心Sgr A*（图源：EHT collaboration）

什么是黑洞吸积？

黑洞吸积是指气体在黑洞强引力的作用下被聚拢并进而产生辐射的过程。相对普通恒星而言，黑洞非常致密。如图（2）所示，太阳的半径约为70万公里，如果将太阳压缩到约3公里，则会变成黑洞。对于一个不旋转的黑洞（史瓦西黑洞），简单的牛顿力学计算表明其在吸积过程中的引力能释放效率为1/6，如图（2）右下角公式所示，M表示黑洞质量，R*表示黑洞的半径（一般取R*为3RS，表示黑洞周围物质运动的最小稳定圆轨道；RS表示史瓦西半径，代表不旋转黑洞的视界面）。对于旋转的黑洞（克尔黑洞），其在吸积过程中的引力能释放效率会更高。黑洞周围物质的引力能释放效率与黑洞质量无关，上述估计既适用于恒星级黑洞也适用于超大质量黑洞。精确的引力能释放效率的计算需要用到广义相对论。黑洞吸积过程的引力能释放效率是热核反应效率的20倍以上，是宇宙中最有效的能量释放方式之一。

图2. 如果太阳被压缩到3公里，则会变成黑洞

黑洞吸积理论的基本解

经典黑洞吸积模型的建立源于对低质量黑洞X射线双星的研究。在低质量黑洞X射线双星中，伴星物质充满洛希瓣并经由内拉格朗日点L1被黑洞吸积。由于双星系统相互绕转，被吸积的物质携带很大的角动量，因而会形成吸积盘,如图（3）所示。含粘滞的吸积盘理论始于上世纪70年代，Shakura和Sunyaev将复杂的粘滞过程参数化，提出所谓的α盘理论，又称为标准吸积盘理论[1]。

标准吸积盘是一种冷的、几何薄、光学厚的吸积盘，被广泛地应用在黑洞X射线双星、类星体以及活动星系核等解释其强烈的辐射。另外标准吸积盘也被应用在中子星、白矮星以及原恒星等各种类型的吸积系统中，是现代天体物理领域最为重要的理论基础之一。

图3. 低质量黑洞X射线双星吸积示意图

黑洞吸积理论的基本解与吸积率密切相关，是决定黑洞吸积模式最关键的因素。吸积率是指单位时间供给黑洞的物质量。在吸积理论的α假设下，研究表明，当吸积率大于某个临界值，标准吸积盘会逐渐转变为细盘（slim disk）或者超爱丁顿吸积流[2]；而当吸积率小于某个临界值，标准吸积盘会逐渐转变为径移主导吸积流（ADAF）[3]。Slim disk和ADAF是对标准吸积盘向吸积率高端和低端分别延伸的结果，这种延伸既有理论的需求也有观测的需求。

需要指出的是，黑洞吸积理论在早期提出的时候主要是用来解释有些天体，例如X射线双星、类星体等为什么会那么明亮？而随着观测的进展，有些时候问题却向着相反的方向发展，例如像M87和Sgr A*这些天体为什么那么暗？被吸积气体释放的能量去哪里了呢？答案是：被黑洞吃掉了！这是在ADAF框架下黑洞视界面存在的关键证据之一，因为只有黑洞视界面才能让被吞掉的物质和能量有去无回！

黑洞吸积理论中的粘滞问题

黑洞吸积理论中一个关键的物理过程是气体的粘滞问题。气体的粘滞有两个重要的作用：（1）转移角动量（2）加热气体。虽然引入的α假设很好地描述了上述两个问题，但是直到发现黑洞吸积盘的磁流体旋转不稳定性（MRI），人们才对黑洞吸积过程的粘滞问题有了更加充分的理解[4]。MRI的发现者Steven Balbus和John Hawley也因此获得了2013年邵逸夫奖的天文学奖，如图（4）所示。

黑洞是广义相对论预言的产物。经典黑洞既不发光，也不发热，因此孤立的黑洞很难被探测到。在实际的天体环境中，可以通过研究黑洞和周围物质的相互作用过程，并结合多波段的电磁辐射揭示黑洞的基本性质。

这其中一个关键的环节是对黑洞和周围物质相互作用基本物理过程的理解。

本文将要提到的黑洞吸积便是黑洞和物质相互作用的重要方面。

如图（1）所示的黑洞照片是黑洞吸积产生辐射的典型例子。

图1. 黑洞照片：M87和银河系中心Sgr A*（图源：EHT collaboration）什么是黑洞吸积？黑洞吸积是指气体在黑洞强引力的作用下被聚拢并进而产生辐射的过程。

相对普通恒星而言，黑洞非常致密。

如图（2）所示，太阳的半径约为70万公里，如果将太阳压缩到约3公里，则会变成黑洞。

对于一个不旋转的黑洞（史瓦西黑洞），简单的牛顿力学计算表明其在吸积过程中的引力能释放效率为1/6，如图（2）右下角公式所示，M表示黑洞质量，R*表示黑洞的半径（一般取R*为3RS，表示黑洞周围物质运动的最小稳定圆轨道；RS表示史瓦西半径，代表不旋转黑洞的视界面）。

对于旋转的黑洞（克尔黑洞），其在吸积过程中的引力能释放效率会更高。

黑洞周围物质的引力能释放效率与黑洞质量无关，上述估计既适用于恒星级黑洞也适用于超大质量黑洞。

精确的引力能释放效率的计算需要用到广义相对论。

黑洞吸积过程的引力能释放效率是热核反应效率的20倍以上，是宇宙中最有效的能量释放方式之一。

图2. 如果太阳被压缩到3公里，则会变成黑洞黑洞吸积理论的基本解经典黑洞吸积模型的建立源于对低质量黑洞X射线双星的研究。

在低质量黑洞X射线双星中，伴星物质充满洛希瓣并经由内拉格朗日点L1被黑洞吸积。

由于双星系统相互绕转，被吸积的物质携带很大的角动量，因而会形成吸积盘,如图（3）所示。

含粘滞的吸积盘理论始于上世纪70年代，Shakura和Sunyaev将复杂的粘滞过程参数化，提出所谓的α盘理论，又称为标准吸积盘理论[1]。

标准吸积盘是一种冷的、几何薄、光学厚的吸积盘，被广泛地应用在黑洞X射线双星、类星体以及活动星系核等解释其强烈的辐射。

另外标准吸积盘也被应用在中子星、白矮星以及原恒星等各种类型的吸积系统中，是现代天体物理领域最为重要的理论基础之一。

图3. 低质量黑洞X射线双星吸积示意图黑洞吸积理论的基本解与吸积率密切相关，是决定黑洞吸积模式最关键的因素。

吸积率是指单位时间供给黑洞的物质量。

在吸积理论的α假设下，研究表明，当吸积率大于某个临界值，标准吸积盘会逐渐转变为细盘（slim disk）或者超爱丁顿吸积流[2]；而当吸积率小于某个临界值，标准吸积盘会逐渐转变为径移主导吸积流（ADAF）[3]。

Slim disk和ADAF是对标准吸积盘向吸积率高端和低端分别延伸的结果，这种延伸既有理论的需求也有观测的需求。

需要指出的是，黑洞吸积理论在早期提出的时候主要是用来解释有些天体，例如X射线双星、类星体等为什么会那么明亮？而随着观测的进展，有些时候问题却向着相反的方向发展，例如像M87和Sgr A*这些天体为什么那么暗？被吸积气体释放的能量去哪里了呢？答案是：被黑洞吃掉了！这是在ADAF框架下黑洞视界面存在的关键证据之一，因为只有黑洞视界面才能让被吞掉的物质和能量有去无回！黑洞吸积理论中的粘滞问题黑洞吸积理论中一个关键的物理过程是气体的粘滞问题。

气体的粘滞有两个重要的作用：（1）转移角动量（2）加热气体。

虽然引入的α假设很好地描述了上述两个问题，但是直到发现黑洞吸积盘的磁流体旋转不稳定性（MRI），人们才对黑洞吸积过程的粘滞问题有了更加充分的理解[4]。

MRI的发现者Steven Balbus和John Hawley也因此获得了2013年邵逸夫奖的天文学奖，如图（4）所示。

图4. Steven Balbus和John Hawley因发现吸积盘的MRI过程，获得2013年邵逸夫奖的天文学奖 （图源：邵逸夫奖官网）黑洞吸积的复杂性与统一性黑洞吸积本质上是黑洞强引力场条件下的辐射磁流体力学问题。

这是一个极为复杂的非线性计算问题。

对黑洞吸积过程的精确研究需要借助大型计算机的数值模拟。

黑洞吸积过程又具有统一性，特别是黑洞活动的基本平面关系(吸积过程和另外一个相反的过程喷流以及黑洞质量之间的关系)的发现暗示黑洞吸积理论在黑洞质量跨越了约9个量级的尺度上仍然具有某种强的关联，具体如图（5）所示。

自然界给我们展示出了丰富多彩的观测现象，但是其背后的基本物理规律往往并没有那么复杂。

像黑洞吸积理论这样在黑洞质量跨越了9个量级尺度仍然成立的物理规律自然界能有多少呢？图5. 黑洞活动的基本平面关系，其中Lx表示X射线光度一般表征吸积过程的辐射，LR表示射电光度一般表征喷流的辐射，M表示黑洞质量（图源：Merloni et al.2003[5]）点亮高能宇宙的引擎对黑洞吸积过程的深入研究可以帮助精确测量黑洞的基本参数，检验黑洞周围强引力中的物质运动规律，普查不同尺度黑洞在宇宙中的分布。

真实宇宙中黑洞的吸积环境非常复杂，以黑洞吸积为基础可以衍生出如，X射线双星、超新星、类星体、耀变体、活动星系核、黑洞照片（M87，银河系中心Sgr A*），黑洞潮汐瓦解恒星事件以及伽马射线暴等丰富多彩、绚烂无比的高能天文现象。

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