黑洞旋轉(zhuǎn)能量的電磁提取及其在天體物理中的應(yīng)用

龔景

摘 要：主要研究重點(diǎn)集中在黑洞旋轉(zhuǎn)能量的提取機(jī)制上，分別是BZ過程和MC過程，同時(shí)討論了關(guān)于兩種機(jī)制的共存要點(diǎn)及應(yīng)用在天體物理中的重點(diǎn)。所有的研究重點(diǎn)主要分為2大方面：①改進(jìn)電路的方式，推導(dǎo)出BZ過程和MC過程的功率；②研究統(tǒng)一模式的天體應(yīng)用價(jià)值，涉及的內(nèi)容是關(guān)于噴流功率及高頻準(zhǔn)周期的震蕩擬合狀況。研究中發(fā)現(xiàn)，黑洞主要的限制條件是吸積盤，其轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率域和黑洞的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不是無限大，是被限制在固定空間內(nèi)，給黑洞自轉(zhuǎn)提供可能性。

關(guān)鍵詞：黑洞旋轉(zhuǎn)；電磁提取；天體物理；BZ過程

中圖分類號(hào)：P145.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.084

關(guān)于黑洞的研究來源于1783年，開始提出黑洞的是英國的Michell，以牛頓的力學(xué)定律為主要的推導(dǎo)要點(diǎn)，推導(dǎo)出極限模型。推導(dǎo)過程中，綜合了微粒學(xué)和牛頓的引力定律，預(yù)言在宇宙中存在著在一類臨界半徑內(nèi)，即使表面有光子都不能逃逸出的暗星物質(zhì)。這里說的“暗黑物質(zhì)”就是黑洞的原型。20世紀(jì)，隨著哈勃望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，天文觀測手段突飛猛進(jìn)，關(guān)于黑洞的研究越來越多。直到今天，黑洞的研究已經(jīng)是多領(lǐng)域交叉學(xué)科的典范研究案例，更是目前科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

1 磁場提取黑洞旋轉(zhuǎn)機(jī)能

1.1 BZ過程

BZ過程是在1977年Blandford和Znajek為了解釋類星體和活動(dòng)星體的高能輻射和噴流狀況，提出的一項(xiàng)能量運(yùn)動(dòng)機(jī)制。該機(jī)制主要是假設(shè)黑洞與天氣物理的負(fù)載連接方式是磁力線。黑洞不斷地旋轉(zhuǎn)，那么磁力線也要不斷地扭動(dòng)，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)的黑洞在遙遠(yuǎn)的天體負(fù)載上產(chǎn)生力的距離。借助于波印亭和角動(dòng)量把黑洞從磁層內(nèi)轉(zhuǎn)移出來，并且將其放到天體的物理負(fù)載上。

1982年，這一理念有新的發(fā)展，通過“3+1”的方式重新描述出BZ過程，即“三維空間+一維時(shí)間”。這一理論實(shí)際主要是將原來思維空間下的黑洞看成是三維空間下的導(dǎo)電球形膜。

如果從簡化線路的角度考慮問題，即將連接到黑洞的各類磁層劃分成無限個(gè)小的磁層。劃分時(shí)，各個(gè)磁面相鄰，有磁層就會(huì)產(chǎn)生磁電，因而各個(gè)相鄰磁層之間會(huì)形成小的回路。每一個(gè)小磁層中，電流都要沿著磁的同面流動(dòng)，所以等磁面就是傳輸能量及角動(dòng)面的載體。相鄰的磁路分布連接著兩端，一端連接黑洞，另一端連接載體。這里，磁路不再是單純的電路傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，而成為連接兩方的回路導(dǎo)線。

1.2 MC過程

BZ的主要貢獻(xiàn)集中在研究類星體和活動(dòng)星體上，部分研究者還開展了在BZ的基礎(chǔ)上關(guān)于吸盤黑洞演化情況的研究。長期以來，由于人們關(guān)注的重點(diǎn)都沒有集中在黑洞連接和周邊吸盤閉合磁力線提取上，目前有科學(xué)研究人員提出，黑洞周邊存在閉合磁力線，黑洞的旋轉(zhuǎn)一定會(huì)加大吸盤的力距，最終的結(jié)果是能量和角動(dòng)量上的力轉(zhuǎn)移到黑洞吸盤上，力的發(fā)散是借助于盤輻射，因而這種黑洞旋轉(zhuǎn)機(jī)能被稱為磁耦合過程，簡稱為“MC”過程。

連接黑洞和天體負(fù)載的主要紐帶是BZ過程中產(chǎn)生的磁力線，黑洞中的能量提取依靠磁層，然后這些能量在天體負(fù)載處被釋放出去。距離黑洞最近的部分是吸積盤，所以吸積盤理論的提出要比天氣負(fù)載容易一些。目前，黑洞磁場的主要維系系統(tǒng)是吸積盤，所以磁層要連接吸積盤。但是，黑洞要不斷地旋轉(zhuǎn)，吸積盤雖然與黑洞較近，畢竟不是連為一體的，所以二者在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角速度會(huì)不同——如果吸積盤的角速度慢于黑洞的角速度，磁層內(nèi)的能量都會(huì)傳遞到角動(dòng)量層上。因而，MC和BZ這兩者在本質(zhì)上沒有區(qū)別。如果仔細(xì)探究，能發(fā)現(xiàn)MC的過程就是BZ的簡單版。

2 統(tǒng)一模型檢測黑洞自傳參數(shù)

2.1 噴流加速模型

噴流主要存在于黑洞系統(tǒng)內(nèi)，其中主要的特征有三，即相對(duì)論、準(zhǔn)直和高強(qiáng)度。為了更好地詮釋這種高能物理，我國很多學(xué)者提出噴流模型，具有代表性的噴流模型是BZ、BP和輻射壓厚盤。

黑洞的動(dòng)能需要快速旋轉(zhuǎn)。這是黑洞存在的必然條件，通過動(dòng)能才能讓黑洞形態(tài)不消逝，因而快速旋轉(zhuǎn)中需要依靠磁場的力量將加速噴流提取出來。任何一個(gè)黑洞都能運(yùn)用3個(gè)參量來描述，分別是質(zhì)量、角動(dòng)量和帶電量。帶電電子黑洞能夠產(chǎn)生磁場，也會(huì)迅速地中性化周邊的等離子，因而黑洞本身不帶電。不帶電的黑洞自身是不能夠產(chǎn)生磁場的。這時(shí)，就對(duì)“帶電電子磁場的出現(xiàn)”提出了質(zhì)疑。其實(shí)，黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的主要能量都來源于黑洞周邊的吸積盤。

2.2 準(zhǔn)周期震蕩模型

當(dāng)前，關(guān)于QPO的起源，理論界還沒有明確的答復(fù)，其解釋也多種多樣，但是需要了解的是，這些模型都有一個(gè)共同的特點(diǎn)——QPO的頻率主要是依靠吸積流的特征半徑，主要是內(nèi)穩(wěn)定圓軌道相對(duì)應(yīng)的半徑。如果該半徑單獨(dú)存在，則無足輕重，但是存在于盤振模型中就顯得非常重要。黑洞的視界面磁場具有非軸對(duì)稱性，通常，MC將黑洞的視界面能量全部轉(zhuǎn)化到吸積盤上。借助于想象，如果MC過程中非軸對(duì)稱磁場將上面的黑洞能量轉(zhuǎn)化，那么所有的能量都要轉(zhuǎn)化到吸積盤上，能量集中部分就會(huì)形成亮點(diǎn)。由于集聚的能量高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以產(chǎn)生熱量或者摩擦出電子，看似比其他位置亮一些，外在表現(xiàn)形式就是盤內(nèi)形成一個(gè)比較亮的熱斑點(diǎn)。這個(gè)熱斑會(huì)伴隨著黑洞旋轉(zhuǎn)，觀察者此刻就能看到一個(gè)準(zhǔn)周期性的光變。這種現(xiàn)象被解釋為“HFQPO”。

3 結(jié)束語

天體物理主要是結(jié)合天文與物流知識(shí)，整體研究領(lǐng)域很寬泛，設(shè)計(jì)的內(nèi)容也比較多，例如流體力學(xué)、吸積盤理論、天體物理輻射等相關(guān)內(nèi)容，并且該理論的使用對(duì)廣義相對(duì)論研究有著重要意義。目前，天體物理學(xué)的研究新領(lǐng)域是運(yùn)用黑洞吸積盤理論解釋有關(guān)高能天體物理狀況。這是國內(nèi)外天文學(xué)研究的新方向。本文重點(diǎn)研究了黑洞吸積盤的能量提取，即BZMC模式，同時(shí)討論了這一模式的應(yīng)用要點(diǎn)。本文提及磁場提能的兩種共存機(jī)制，并展望了這兩種機(jī)制的共存要點(diǎn)，在改進(jìn)等效電路模式的前提下，推導(dǎo)出統(tǒng)一模型的功率及其力矩的表達(dá)要點(diǎn)。

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〔編輯：劉曉芳〕