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  • 1 # 軍機處留級大學士

    吸積盤是研究黑洞的重要工具。由於吸積盤的存在,科學家能觀察到關於黑洞外面的幾乎一切。為什麼?改變天文學的一件事是當人們意識到宇宙中有比光學望遠鏡在那之前允許他們看到的更多的東西時。科學家發現可見光只是整個電磁波譜的一小部分,資訊透過宇宙以多種波長傳播,從無線電、微波、紅外線、光學、紫外線、x光到伽馬射線。從那以後,我們從電磁輻射中瞭解關於宇宙的一切。然而,黑洞不會產生任何輻射,如果周圍沒有吸積盤,這將使它們無法研究。這些圓盤是科學家實際觀察到的,從吸積盤推斷出它們中心引力物體的性質。

    吸積是一個巨大物體透過引力吸引和收集物質而生長的過程。通常情況下,這是透過一個圓盤狀的擴散材料或氣體結構發生的,它圍繞中心增生物體在軌道上運動。吸積盤是宇宙中無處不在的特徵,可以在較小的恆星或恆星殘餘物周圍,在緊密的雙星中,在螺旋星系的中心,在類星體中,它們也以伽馬射線爆發的形式形成。

    吸積可以有多種形式。它可以是球形的,也可以是平面的。它可以是持久的,也可以是偶然的。吸積的通常情況是物質從一個天體流向另一個天體。那麼存在由兩個物體的軌道平面給出的優選方向。氣流也保持這個平面,但並不從一個物體直接延伸到另一個物體,因為它有來自兩個物體軌道運動的角動量。它被科里奧利力推到一邊,在目標物體周圍形成一個圓盤。

    這樣,物質堆積在圍繞黑洞、恆星或其他受引力物體旋轉的密集旋轉吸積盤中。相鄰層之間的摩擦導致磁碟中的氣體升溫,因為其勢能慢慢消散成熱量。氣體也失去了角動量,這使得它能夠更靠近中心物體並更快地繞軌道執行。更快的運動會產生更多的摩擦,當氣體變得非常熱時,就會放出能量。它取決於中心物體的質量磁碟能達到什麼溫度,質量越大磁碟的溫度越低。恆星質量黑洞周圍的圓盤溫度在數百萬開爾文左右,以x光輻射。超大質量黑洞周圍的圓盤溫度在數千開爾文左右,以光或紫外光輻射。

    我們可以想象吸積盤就像一張唱片。它有吸積盤的許多特徵。當我們開始播放唱片時,我們把唱針放在唱片的外邊緣。這也是物質進入吸積盤的地方——在其外圍。當乙烯板在下面執行並且音樂正在播放時,指標跟隨一個非常緊的螺旋槽。你可以看到針繞著盤子轉了許多圈,慢慢地向盤子中心移動。吸積盤也是如此,進入圓盤的物質粒子必須失去角動量。雖然它透過與周圍的其他粒子交換來實現這一點,但它仍然像圍繞太陽的行星一樣,沿著開普勒軌道執行許多次。

    留聲機唱片可以播放45分鐘,從外到內需要幾周或幾年的時間(取決於唱片的大小)。一旦記錄完成,指標到達軌道末端,螺旋槽就會迅速展開,從而將唱臂定位到停止位置。在黑洞吸積盤上,類似的事情也發生了。科學家強調這一定是黑洞周圍的吸積盤,因為這種效應是相對論性的,並且只在黑洞或中子星等緻密物體周圍足夠強的引力場中表現出來。事實是,在某個半徑範圍內,已經非常靠近中心黑洞,物質粒子不再能沿著圓形開普勒軌道執行。由於廣義相對論的影響,這樣的軌道不再穩定,從那一刻起,粒子就處於自由落體的開放螺旋上,它將以接近光速的速度在幾個軌道內穿過餘下的路徑到達視界,在那裡它結束了它的漫長旅程。

    在不存在穩定開普勒軌道的圓盤中,這種特殊特徵的存在被證明具有非常重要的意義。因為物質可以在這個特殊的地方之外的任何地方和平地在圓盤中軌道執行,而不是在裡面,這意味著圓盤本身就有“洞”。這個黑洞的大小隻取決於中心黑洞的性質(它的質量和旋轉)。因此,如果設法測量黑洞的大小,就沒法推斷出黑洞本身的性質。

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