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光都無法逃出黑洞,為什麼X射線流卻可以?

Ashin 2023/01/17

致命吸引

在這個世界上最具吸引力的事物是什麼?

男女之間的魅力吸引?

男女吸引最為「致命」?

從某種程度來講這確實沒錯,畢竟每人能夠逃離這種由荷爾蒙激素帶來的「致命」吸引力。

我們不妨把格局再拉大一點,放眼整個宇宙,最具吸引力應該還是非 黑洞莫屬。

黑洞的概念略微比較復雜,科學家在今天對它的觀察和了解已經超出了過去的認識。

黑洞作為一個 時空區域,它有著十分強大的引力,以至于沒有任何粒子甚至電磁輻射能夠從中逃脫。

廣義相對論預測,足夠致密的質量可以使時空扭曲形成黑洞。

正因如此,許多物體都無法逃脫黑洞邊界,這種現象也被稱作 事件視界

但在這之前,科學家將「暗星」概念引入黑洞范疇中,并在1783年由英國地質學家約翰·米歇爾提出。

到了20世紀20年代至30年代,天體物理學家加強了關于黑洞的各種理論。

直到最近30年,天文學家才收集到關于黑洞存在的 觀測證據

黑洞的黑色完全來自于它強大引力, 光的速度足夠快,也沒辦法逃離黑洞。

真實拍攝出來的黑洞

如果要理解光在黑洞周圍發生了什麼,我們需要明白的一點在于,光本身是一個普遍常數,或者說無論我們怎樣去觀察光,它都應該是每秒30萬公里的移動速度。

科學家對重力的解釋讓我們知道, 重力會扭曲空間的幾何形狀

物體的運動實際上在無時不刻地發生著變化,這種情況在沒有質量的光身上會非常明顯。

由大質量物體帶來的空間扭曲

另外, 光本身就是速度極限,因此它也不會受到加速度的影響。

廣義相對論已經證明,任何大質量的物體都會因自身的重力影響,從而扭曲它周圍的時空。

由于光子在兩點之間的傳播距離最短,因此當光穿過一個大質量物體周圍扭曲的時空時, 光也會發生彎曲

光子的運動不會受到重力的直接彎曲,但是黑洞作為一個大質量物體扭曲了周圍的時空,這使得 光的傳播路徑也隨之發生變化

看起來是黑洞在影響光的運動,但實際上在 視界范圍內,時空彎曲導致光的行進路線永遠無法逃離黑洞。

黑洞扭曲帶來的引力透鏡效果

所以從這個層面來講,光是無法逃離黑洞的。

逃離黑洞

不過有意思的是,光從理論上講不能逃離黑洞,但是光仍然有機會從黑洞中逸出。

如今科學家對黑洞的觀察和了解證實,黑洞會導致 光子球的出現。

它是一個厚度為零的球形邊界,其中沿著光子移動的切線被困在圍繞在黑洞周圍的圓形軌道中。

對于非旋轉黑洞來講,光子球的半徑是 史瓦西半徑的1.5倍。

光子球的表現及狀態

它們的軌道是 動態不穩定的,所以任何細微的擾動都會導致不穩定性隨著時間的推移而增長,例如下落的物質粒子。

這一現象要麼將光子設置在 向外的軌道上,并導致它逃離黑洞。

要麼在 向內的軌道上,光子的螺旋運動最終將穿過事件視界。

雖然光仍然可以從光子球中逸出,但任何可以進入軌跡穿過光子球的光都將被黑洞捕獲。

所以,任何從光子球到達外部觀察者的 光一定是由光子球和事件視界之間的物體發出的

光子在黑洞周圍的運動表現

過去科學家對黑洞的深入了解發現,沒有任何東西可以逃離黑洞的想法是錯誤的。

霍金輻射的發現為人們揭示了如何逃離黑洞的幾種方法。

物質和反物質的分離在事件視界之外,由此產生的輻射并不是來自黑洞,而是來自虛擬粒子被黑洞引力提升到更高的能量狀態。

霍金輻射,由粒子導致

真空波動可能導致粒子與反粒子出現在事件視界附近,一個粒子可能會落入黑洞,但另一個則不會。

為了填補孤立粒子留下的能量「空洞」,能量就必須通過隧道從黑洞中穿過并穿過事件視界,進而產生可以觀測到的輻射。

但這導致黑洞失去質量,觀察者也會看到由黑洞散發出的輻射。

因此 從邏輯上講,黑洞也是會消失的,這個過程被稱為黑洞蒸發。

粒子從黑洞中逃離時,黑洞不僅會損失能量,還會損失質量

根據愛因斯坦的質能方程,兩者可以進行互換。

霍金輻射的研究發現為科學家進一步揭示了黑洞本身,黑洞的神秘感也在一點點地在人們心中消失。

如今科學家對黑洞的觀察發現了更多,圍繞在黑洞周圍旋轉的炙熱物質盤可以發射出地球中令人感到絢麗的X射線。

超大質量黑洞在氣體進入時會產生壯觀的 X射線輻射耀斑,然后耀斑停止后會讓觀察者觀察到短暫的X射線閃光。

根據相關假設,這些「回聲」與黑洞陰影反射的X射線一致。

黑洞也并不是完全看不見

按理來說,應該不可能探測到黑洞后面有任何東西,但為什麼還是能夠發現X射線流呢?

黑洞的一生

X射線作為一種不太常見的射線,它本身是 高能電磁輻射。既然也是電磁輻射,為什麼X射線能從黑洞中逃離呢?

事實上X射線流并不是來自黑洞而是來自落入黑洞的物質,在適當的情況下,它會形成一個非常快的旋轉 吸積盤

吸積盤會升溫,然后產生強大電離現象,并為射流中的帶電粒子提供強大的磁場。

藝術模擬出的X射線流

正如我們前面所說, 黑洞不會發射任何東西,甚至對于霍金輻射本身來講,它是源于黑洞附近的 引力真空極化,并不是黑洞本身。

盡管它確實會隨著時間推移減少自身的質量,最終導致蒸發。

所以X射線實際上是外界因素導致,當黑洞捕獲到各種塵埃、氣體時,這些物質會高速運動并加熱,這些熱量從黑洞向外輻射。

薄吸積盤照亮了史瓦西黑洞視界外圍

當來自吸積盤中圍繞黑洞運行的熱氣體運行時, 磁應力導致它失去能量和角動量,最終以緩慢下落的方式盤旋落入黑洞。

軌道能量會在這個過程中轉化為熱能,將氣體加熱到數百萬度,然后便會 發射X射線波段的黑體輻射

一旦氣體接近視界半徑好幾倍時,便會不可阻止的進入黑洞, 所以在這之前,X射線還是有機會在視界之前逸出

也正因黑洞的這些表現,黑洞的存在可以通過它與其他物質和電磁輻射,可見光通常是一種比較直接觀察手段。

黑洞附近的 X 射線狀態

對于黑洞來講, 吸積盤的來源和材料多種多樣,但它們都會在吸積過程中出現加熱摩擦,形成類星體。

同時,這也是宇宙中最亮的物體。

過于靠近超大質量黑洞的恒星可能會被撕裂成流光, 在被吞下之前會發出非常明亮的光芒

科學家對黑洞的進一步觀察也更加完善了過去它在人們心目中的形象,例如在《星際穿越》中表現出來的黑洞形象。

不管從外形還是運動狀態來看,都十分符合現代天體物理學對黑洞的描述。

X射線流可以被望遠鏡探測到,這種吸積過程產生的能量或許是觀察黑洞較好的一個方式。

有多達40%的吸積材料剩余質量可以作為輻射發射。

大部分情況下,吸積盤伴隨著相對論射流,這些射流帶走了大部分能量。

不過科學界目前還不清楚這些噴發機制,原因在于對黑洞的觀測數據不足。

接近銀河系中心黑洞后的氣體云模擬

另外我們之前提到的霍金輻射,這是黑洞蒸發的過程,但想要通過這種方式讓黑洞消失恐怕得等到宇宙毀滅的那天。

一個超大質量的黑洞的蒸發時間遠遠超過宇宙當前的年齡,怪物級別的黑洞蒸發時間則會更加漫長,可以說它們將會伴隨著宇宙一生。

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