为什么黑洞的周围会有光?(为什么黑洞会发光)


黑洞周围是存在吸积盘的,黑洞的超强引力场会对周围质量分布产生吸积效应,进而导致吸积盘形成。吸积盘本质是一个有吸积流的转动的“气体”盘,能形成于包括中子星、主序星、白矮星、黑洞等高质量星体的周围。天体周围的吸积盘已经在众多实验中被直接或间接观测到。事实上所谓探测黑洞,很多时候并不是直接发现某某结构是一个黑洞,而是根据 X 射线辐射间接探测的。

吸积盘有很多模型可以描述,比如 SSD、Slim、ADAF、LHAF 等。较为常见的冷盘模型中,Slim 吸积盘可以描述的黑洞更多,因为其包含 SSD 无法解释的超爱丁顿吸积过程。以 Slim 盘模型来说,通俗讲就是根据连续性方程、径向动量方程、角动量守恒方程、物态方程、垂向静平衡方程、能量守恒方程等基本物理规律建立起一个完整描述吸积盘运动的体系。有一些方程比如垂向静平衡属于近似假设,完全不做假设就要使用二维磁流体辐射动力学模拟,非常难算。建立起一堆方程后,数值方式求整体解,就可以把盘任何半径处的厚度、面密度、压强、温度、角速度等物理量给解出来,进而得到辐射谱。采用黑体辐射近似的话我可以现场给题主写个程序模拟一下,出来的谱大概是这样的:

Slim 模型黑体谱

这个黑洞设置的

太阳质量,不同吸积率光度是不一样的。随便模拟的,标准 Hoshi 近似,打靶法调节的吸收角动量可能不太精确,大致形状应该是对的。如果考虑外流加上 winds 还会更复杂一些,但是走势大差不差。横轴应该是

,懒得改了。

这个吸积盘的光是很亮的,上面的光谱是可以直接观测得到。整体解一旦求出,根据图姆尔 Q 指数等方式判断盘内外边界,然后积分密度函数可以算出盘的质量,这也就是说盘的质量和中心天体的质量是有确定关系的。观测到辐射,经过这样类似的运算就可以反推中心天体质量,如果大于某个极限值,就会认为中心天体是黑洞的候选天体。这只是探测黑洞的一种手段,实际操作也比我说的复杂得多,举这个简单的例子就是不太严谨的展示一下研究辐射对于探测黑洞的价值。

前面不想看的话就是一句话总结,黑洞周围的光大部分是由吸积盘贡献的,研究吸积盘的光谱结构本身就是研究和探测黑洞的重要手段。毕竟事件视界阻碍信息传递,我们不能直接探测黑洞,也只能用探测外围吸积盘结构这些间接的方法。如今科学手段发展,引力波探测也成为研究黑洞演化合并等行为的重要手段,这就是后话了。

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