水电站的道理很朴素:水从高处落到低处,势能变成动能,再带动涡轮发电;落差越大,同样的水发的电越多。黑洞附近的物质也在往下掉,只是落差深到光速量级,气体还没抵达中心,就已经被磨成了上千万度的等离子体——落差有多深,决定了它有多亮,也决定了它发出什么颜色的光。
吸积盘的光来自引力势能,不是化学燃烧。薄盘的质能转换效率在不转动黑洞约为 5.7%,近极限自转时可达约 30%,比氢聚变的 0.7% 高一个量级以上;按 10% 效率算,1 kg 物质可放出约 9×10¹⁵ J,相当于烧掉约 20 万吨汽油。
亮度来自落差,不来自「烧」
掉进引力井的物质会加速,但真正的加热发生在盘内:相邻两层气体速度不同,互相摩擦,把有序的轨道运动变成无序的热运动。
效率可以一句话估出来:落到半径 R 的圆轨道,释放的能量量级是 GM/R。代入不转动黑洞的最内稳定圆轨道(innermost stable circular orbit, ISCO),约 5.7% 的静止质量能会被辐射掉。
同样一千克物质,烧氢只得到 6×10¹⁴ J,落进黑洞能拿到 9×10¹⁵ J。
温度按 R 的 −3/4 次方下降,盘必然是内热外冷
薄盘的标准解给出 T ∝ R^(−3/4):越靠近中心摩擦越剧烈,温度也越高。
恒星质量黑洞的盘内区约 10⁷ K,峰值在软 X 射线;超大质量黑洞的盘内区只有约 10⁵ K,峰值在紫外——类星体光谱里那个宽大的「大蓝包」。
分子黏性差了十几个量级,真正搅动盘的是磁场
普通气体的黏性小得离谱:按它算,物质要几百亿年才能挪到中心。
1973 年,Shakura 与 Sunyaev 把未知的输运机制打包成一个无量纲参数 α,取 0.01 到 0.1,先让方程能用。
1991 年,Balbus 与 Hawley 找到了来源:磁场中速度随半径下降的流体必然失稳,即磁转动不稳定性(magnetorotational instability, MRI)。它把角动量往外搬,物质才能往里掉。
落到最内圈时,物质还留着一半能量没交出来
在 ISCO 停下来的气体仍带着可观的轨道动能,这部分跟着物质越过视界,不再以光的形式出现,盘只收到其中约一半——效率只有 5.7% 就是这个原因。
黑洞自转时 ISCO 往里挪,能收的落差变大,效率可升到 30% 上下。
| 参数 | 数值 | 口径与来源 |
|---|---|---|
| 薄盘效率(不转动黑洞) | 5.7% | Novikov-Thorne 模型,ISCO = 3 r_s |
| 薄盘效率(近极限自转) | 约 30% | 同上,自旋参数趋近 1 |
| 氢聚变效率 | 0.7% | 4 个氢核合成氦 |
| 恒星质量黑洞盘内温 | 约 10⁷ K | X 射线双星连续谱拟合 |
哪些是观测,哪些还是推断
常见问题
不会。亮度跟着吸积率走,燃料少了就暗下来。银心 Sgr A* 现在只吃到爱丁顿极限的十亿分之一量级,所以很暗。
大部分越过视界,质量归黑洞;另一部分是沿磁场甩出的喷流与盘风,从此永远离开系统。
盘的形成需要角动量。气体若几乎沿径向掉进来,只能形成稀疏热流,效率极低,看起来像什么都没发生。
延伸阅读
- Shakura & Sunyaev 1973, Black holes in binary systems: observational appearance, A&A 24, 337
- Balbus & Hawley 1991, A powerful local shear instability in weakly magnetized disks, ApJ 376, 214
- Frank, King & Raine, Accretion Power in Astrophysics, Cambridge UP