宇宙物理科普：光都不能逃出黑洞，X射線流卻可以！
說起黑洞，大家的第一印象就是：這是一個(gè)密度極大的天體，連光都無法逃脫它的吸引力，光線只能進(jìn)不能出，所以我們看它就是黑乎乎的球，像是宇宙中深不見底的洞一樣。 大多數(shù)時(shí)候，黑洞看起來并不是這樣，它比宇宙中絕大多數(shù)的星星都要明亮，散發(fā)出耀眼的光芒。并且在黑洞的兩端會(huì)噴射出強(qiáng)烈的X射線和等離子體氣流，這些光柱被稱為天體物理射流，它會(huì)一直延伸到幾千光年遠(yuǎn)的地方。 比如說，非常著名的超大型黑洞M87*，它向太空噴射的天體物理射流就長達(dá)5000光年，以至于哈勃太空望遠(yuǎn)鏡很容易就能找到并定位它。 那么問題來了，我們都知道黑洞之所以稱為黑洞，就因?yàn)樗闹亓O其強(qiáng)大，連光都無法逃脫其引力；并且我們也知道X射線就是光，為什么它沒有被黑洞吞噬，反而被噴射到如此遠(yuǎn)的距離呢？難道這就是傳說中的霍金輻射？
首先可以確定的是，黑洞發(fā)出的天體物理射流與霍金輻射之間沒有什么關(guān)系，這是完全不同的兩個(gè)概念。關(guān)于霍金輻射，我們將在以后的文章中專門加以介紹，因?yàn)槟且彩莻€(gè)十分有趣的課題。

黑洞是個(gè)貪婪的家伙

黑洞是宇宙中最強(qiáng)的噴子，同時(shí)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、行星還是細(xì)小的灰塵，只要你進(jìn)入到黑洞的引力范圍，都會(huì)被它拉扯著跳起死亡華爾茲，最后難逃被撕扯得粉碎，再一點(diǎn)點(diǎn)吃掉的命運(yùn)。 黑洞吃東西的過程很婉轉(zhuǎn)也很藝術(shù)，它并不是撲上去一口吞掉，而是先拉著恒星跳舞。因?yàn)楹诙吹拿芏葮O大，它的質(zhì)量也大多超過一般恒星，所以恒星進(jìn)入黑洞的引力場后，會(huì)先圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)的過程中，恒星上的一部分氣體受到黑洞的潮汐力拉扯漸漸離開母星，被黑洞吸走。
大多數(shù)氣體在飛向黑洞時(shí)并不會(huì)對(duì)準(zhǔn)黑洞的質(zhì)心，這時(shí)候氣體流就有了角動(dòng)量，它們會(huì)圍繞在黑洞周圍極快地旋轉(zhuǎn)并逐漸向中心積聚，這就是我們常說的吸積盤。 星際間的物質(zhì)大多由氫、氦等元素以及這些元素的化合物構(gòu)成，當(dāng)它們被黑洞吸引、圍繞黑洞高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，由于角動(dòng)量守恒，它們不會(huì)立即掉入黑洞。隨著越來越多的氣體和塵埃被黑洞的引力吸引，吸積盤的密度會(huì)越來越大，氣體與顆粒間的碰撞摩擦也越來越劇烈，于是產(chǎn)生極高的溫度和強(qiáng)大的能量。
對(duì)于單個(gè)粒子，當(dāng)它圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)，我們可以畫出它的運(yùn)動(dòng)軌跡： 而那些更加遠(yuǎn)離黑洞事件視界的粒子，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡則顯得更有規(guī)律一些： 如果粒子因?yàn)槭艿脚鲎捕鴾p速，它就會(huì)迅速掉進(jìn)黑洞的事件視界，再也出不來了：

黑洞也發(fā)熱發(fā)光

文章的開頭提到，大多數(shù)的黑洞看起來并不“黑”，它們都是宇宙中最亮的星星，這到底是為什么呢？
這些明亮的黑洞被稱為“類星體”，它的光和熱是由其外層炙熱的吸積體發(fā)出的。黑洞在吞吃星體的過程中將大量的氣體和塵埃吸引在自己的周圍，這些稠密氣體與塵埃在極高速旋轉(zhuǎn)的過程中劇烈碰撞摩擦，從而將大量的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為光和熱，同時(shí)光和熱因?yàn)槭艿胶诙磸?qiáng)大引力的牽引無法逃離，所以它們會(huì)越來越多地聚集在黑洞周圍，形成光子球。 與此同時(shí)，黑洞的吸積盤也不總是薄薄的一層，因?yàn)楹诙吹囊O大，邊緣的氣體會(huì)向中心聚集，從而使得靠近事件視界的區(qū)域形成一團(tuán)極高溫度的等離子流體，粒子在相互碰撞中向高緯度區(qū)域堆積爬高，一直到黑洞的兩極附近。 黑洞吸積盤的摩擦是如此劇烈，以至于在靠近事件視界的地方，吸積物剩余質(zhì)量的40%都被轉(zhuǎn)化為了電磁輻射，其中主要是X射線輻射。要知道在恒星的內(nèi)核，強(qiáng)大核聚變的轉(zhuǎn)化效率僅有0.7%。

相對(duì)論射流

在黑洞事件視界的外表面，盡管吸積物產(chǎn)生的大量超高溫等離子體和X射線的光子還沒有被吞噬，但它們也無法逃離，光子會(huì)沿曲線飛行。同時(shí)在外圍星塵的巨大壓力下，那些還沒有被吞噬的物質(zhì)會(huì)向黑洞兩極聚集，最后以接近光速的速度沿著吸積盤的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線拋射出來。 天體射流的形成和動(dòng)力是高度復(fù)雜的現(xiàn)象，與許多類型的高能天文來源有關(guān)，同時(shí)也與吸積盤在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場有關(guān)。由于射流產(chǎn)生的位置在黑洞事件視界的范圍之外，黑洞對(duì)它的吸引力比較小，因此射流物質(zhì)才有可能高速逃離黑洞而不被吞噬。 事實(shí)上有相當(dāng)多的星際物質(zhì)都是在被黑洞攪拌粉碎之后拋向太空的，黑洞并不完全吞噬靠近它的恒星，有相當(dāng)一部分的恒星物質(zhì)都被它轉(zhuǎn)化為氣體和射線流噴射到了宇宙之中。

總結(jié)：

黑洞的強(qiáng)大引力確實(shí)能吸引光，光子進(jìn)入黑洞的事件視界范圍內(nèi)無法逃離，所以我們無法看見里邊究竟有什么和發(fā)生了什么。
黑洞只有在吞噬靠近的物體時(shí)才會(huì)向外噴射X射線和氣體物質(zhì)。
在黑洞的事件視界之外，它不能捕獲光子，但同樣有極強(qiáng)的引力，它撕扯和粉碎靠近的恒星，使恒星的氣體圍繞自己高速旋轉(zhuǎn)形成吸積體，由于極高的旋轉(zhuǎn)速度，大量物質(zhì)被電離并形成包括X射線在內(nèi)的高能輻射流。 輻射流受到外圍吸積氣體的擠壓，以接近光速的速度從黑洞的兩極噴射到太空，從而形成了我們看到的天體物理射流。這就是它為什么可以逃離黑洞強(qiáng)大引力的原因。
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