黑洞捕食之謎

宇宙中的神秘天體——黑洞往往都在貪婪地吞噬著周圍的物質(zhì)，“捕食”的黑洞擁有一個面積很大的捕食器官，不斷從外界吞噬物質(zhì)，這個捕食器官就是盤繞在它周圍的吸積盤。

可怕的吸積盤

吸積盤就像盤繞成一團(tuán)的蛇一樣，最外緣的部分是“蛇嘴”，周圍的恒星一旦被“蛇嘴”咬上，就別想擺脫掉。恒星體內(nèi)的物質(zhì)就會源源不斷流向黑洞吸積盤，像被吸血一樣，“血液”不斷被吸入“蛇嘴”，進(jìn)而被黑洞吞噬。從模樣上看，就好像一個氣球(恒星)的氣球嘴被一個圓盤邊緣粘住了，氣球內(nèi)的氣體(恒星物質(zhì))通過氣球嘴在不斷流向圓盤。

組成吸積盤的物質(zhì)卻是正在被吞噬的物質(zhì)，這些物質(zhì)一旦被吸到黑洞周圍，會因為被黑洞綁架而馬上慌了手腳，不知所措地隨著漩渦不斷向黑洞的大嘴旋進(jìn)，在淪為黑洞的美餐前，發(fā)出“慘叫聲”，以X射線的形式傳了出來，還有一些被剝離得遍體鱗傷的粒子逃離出來……這就是黑洞吸積盤里發(fā)生的慘象。

為什么黑洞會擁有一個螺旋式旋進(jìn)的可怕的吸積盤呢?根據(jù)以往科學(xué)家的觀點，這是黑洞的強(qiáng)引力場造成的。

科學(xué)家告訴我們：黑洞的質(zhì)量一般較大，但體積又極其小，這就使得黑洞周圍的引力場極其強(qiáng)大。例如，我們銀河系的一個黑洞，質(zhì)量是太陽的7倍，而其體積，據(jù)科學(xué)家認(rèn)為很可能只有針尖那么大。于是根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，黑洞周圍的時空極度彎曲，一旦進(jìn)入其警戒線之內(nèi)(對于上述黑洞，警戒線范鬧是方圓10千米的范圍)，連沒有靜止質(zhì)量的光子都會被吸入黑洞，無法再脫離警戒線逃離出來。因此，黑洞警戒線內(nèi)部的世界在我們看來就是黑的，像一個幽暗的無底洞，黑洞之名由此而來。要想逃離黑洞的警戒線(視界)，除非你有超光速的本領(lǐng)。

上述警戒范圍是對于擁有光速的光子來說的，而對于速度較低的物質(zhì)，黑洞的警戒范圍肯定會向外擴(kuò)張，也許方圓多少萬千米的范圍都是黑洞的領(lǐng)地，普通物質(zhì)一踏入“禁區(qū)”，就會被黑洞強(qiáng)大的引力吸引，陷入黑洞的吸積盤，而吸積盤里的物質(zhì)也正在黑洞引力下，不斷向黑洞盤旋靠近。可怕的吸積盤漩渦就在強(qiáng)大的引力作用下形成了。

懷疑黑洞的引力

可是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黑洞引力的理論存在著重大的缺陷。

一個轉(zhuǎn)動的物體，若施加與物體線速度方向平行的力，這個力就會產(chǎn)生促進(jìn)或阻礙物體轉(zhuǎn)動的效果，這種效果可以用轉(zhuǎn)矩表示。若想讓物體停止轉(zhuǎn)動，必須施加阻礙轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩，例如，汽車在剎車時，為了讓車輪不轉(zhuǎn)動，順時針轉(zhuǎn)動的輪子，必須通過剎車板對輪子施加一個逆時針的轉(zhuǎn)矩，輪子才會停下來。若沒有任何摩擦，輪子會永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)下去。這就像讓一個向前開的汽車停下來，必須施加一個向后的阻力一樣。直線運(yùn)動的物體有慣性，轉(zhuǎn)動的物體也有轉(zhuǎn)動慣性，以角動量表示。如果不對轉(zhuǎn)動的物體施加轉(zhuǎn)矩，那么物體轉(zhuǎn)動的角動量就保持恒定，物體會循著自己的軌道很穩(wěn)定地圍繞中心轉(zhuǎn)動。

物體在一定軌道上繞中心旋轉(zhuǎn)，如果引力恰好等于離心力，物體就會很穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，并不會向中心下落。我們發(fā)射的人造衛(wèi)星，只要衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角動量不變，衛(wèi)星會很穩(wěn)定地繞地球旋轉(zhuǎn)，甚至?xí)r間太長久了，經(jīng)歷風(fēng)吹日曬的衛(wèi)星破碎了，其碎屑也會持之以恒地在太空繼續(xù)旋轉(zhuǎn)下去。我們?nèi)粝牖厥招l(wèi)星，必須讓衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角動量降低，衛(wèi)星才會逐漸向地球靠近。

問題來了。黑洞吸積盤里的物質(zhì)和吸積盤外的恒星都在繞黑洞旋轉(zhuǎn)，如果只受到黑洞的引力作用，那么這些物質(zhì)的角動量應(yīng)該是不變的。一秒鐘之前和一秒鐘之后物質(zhì)的轉(zhuǎn)動是一樣的，吸積盤里的物質(zhì)不應(yīng)該向黑洞方向下落，吸積盤外的恒星也不應(yīng)該被黑洞恣意吸取“血液”。盡管黑洞的引力強(qiáng)大，也奈何不了其警戒線之外的物質(zhì)。而在黑洞警戒線之外的物質(zhì)若不向黑洞方向下落，又怎么會無緣無故落進(jìn)警戒線之內(nèi)呢?這樣，黑洞周圍的吸積盤應(yīng)該可以與黑洞相安無事。也就是說超過一定的距離，物質(zhì)就會像繞地球旋轉(zhuǎn)一樣，繞著黑洞安穩(wěn)地轉(zhuǎn)動，不該向中心靠攏。

除非，有一種作用起到了一種轉(zhuǎn)矩的作用，降低了物質(zhì)的角動量，物質(zhì)旋轉(zhuǎn)速度慢了，才有可能向黑洞方向下落。

對此，往往科學(xué)家都會想到摩擦力，物質(zhì)轉(zhuǎn)動過程中的相互摩擦?xí)峁┳璧K轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩，會改變物質(zhì)的角動量。可是這種物質(zhì)盤內(nèi)部的摩擦力會很大嗎?木星和土星環(huán)等物質(zhì)盤內(nèi)部的摩擦力就很小?？梢姡湍Σ亮Χ疾蛔阋詫?dǎo)致黑洞吸積盤里的氣體那么快地墮入黑洞。

到底是什么導(dǎo)致吸積盤內(nèi)物質(zhì)的角動量丟失那么快呢?

磁場幫助黑洞消化食物

30多年前，科學(xué)家就注意到了吸積盤物質(zhì)角動量的快速丟失，科學(xué)家也曾經(jīng)把懷疑的眼光投向了磁場作用，只是沒有找到磁場盜取角動量的證據(jù)。

最近，美國密歇根大學(xué)的科學(xué)家通過觀測我們銀河系的GROJ1655雙星系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了黑洞中的磁場作用的證據(jù)。這個雙星系統(tǒng)包括一個7倍于太陽質(zhì)量的黑洞和一個2倍于太陽質(zhì)量的恒星，其中的黑洞正在通過吸積盤貪婪地吞噬著恒星體內(nèi)的物質(zhì)。通過衛(wèi)星上的錢德拉X射線天文臺觀測，黑洞吸積盤中心正在以漏斗狀向外不斷散發(fā)出大量的X射線和大量的帶電粒子，看起來就像從黑洞中心正吹出狂風(fēng)，形狀如同明亮的火焰。

這種X射線光譜顯示，數(shù)百萬度的氣體盤旋在黑洞周圍，一些熱氣被狂風(fēng)吹走，而大量的熱氣正在向黑洞旋進(jìn)，這與計算機(jī)模擬的磁場和物質(zhì)的相互摩擦產(chǎn)生的磁場風(fēng)很一致?？茖W(xué)家通過光譜分析認(rèn)為，黑洞中存在磁場，在黑洞磁場作用下，吸積盤里的氣體劇烈地相互摩擦，產(chǎn)生大量的熱，高溫導(dǎo)致氣體電離，并釋放出X射線，各種帶電粒子又在磁場作用下被狂風(fēng)吹了出來。高溫和高強(qiáng)度的風(fēng)意味著黑洞具有高強(qiáng)度的磁場，若沒有磁場的作用，單純的摩擦熱和射線不會形成這么強(qiáng)烈的風(fēng)。

正是這陣強(qiáng)烈的風(fēng)偷走了周圍物質(zhì)的角動量，再加上摩擦產(chǎn)生的阻礙轉(zhuǎn)矩，吸積盤里的物質(zhì)角動量大大減小，這相當(dāng)于物質(zhì)喪失了能夠與黑洞引力相抗衡的力量，不可能在原來的軌道安穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)，它們在黑洞引力下身不由己，只能乖乖地被黑洞吞食。

可見，磁場磨擦是黑洞快速吞噬物質(zhì)的關(guān)鍵，是產(chǎn)生燦爛炫目的X射線光譜的根源。據(jù)測定，GROJ1655黑洞所釋放出來的X射線如此明亮，簡直與整個銀河系其他所有方式釋放的X射線亮度差不多?？茖W(xué)家猜測，宇宙中有1/4的X射線輻射是物質(zhì)向黑洞下落的過程中放射出來的，包括那些宇宙中最亮的天體——強(qiáng)大的脈沖星。原來，可怕的黑洞主要是靠無形而強(qiáng)有力的磁場來捕食的，它和引力場一唱一和，可使食物乖乖送上門來。

科學(xué)家也終于認(rèn)識到，黑洞雖然是宇宙中最黑暗的天體，它卻給世界貢獻(xiàn)了大量的光明——X射線輻射。

（選自《科學(xué)之謎》）