黑洞边缘的秘密

    黑洞也能成为明亮的辐射源。在吸积周围物质的过程中，当吸积盘中的气体盘旋着掉入黑洞时会释放出大量的引力能。最新的研究显示这些辐射为我们认识黑洞边缘的秘密提供了一条途径。
         
    黑洞的辐射主要来自吸积盘的热辐射。其中的幂律硬X射线是来自吸积盘的光子和吸积盘冕中热电子互相作用的结果。这一光谱已经在恒星质量黑洞中被发现。同时在星系核心的超大质量黑洞中也发现了类似的现象。但是，超大质量黑洞周围吸积盘的温度比恒星质量黑洞旁吸积盘的温度低。
         
    另一个特点就是，在塞弗特星系的光谱中发现了盘冕辐射的铁发射线。其最简单的形式是6.4keV的铁发射线。但由于多普勒效应、相对论喷流和引力红移，相应的谱线会发生偏移。其中引力红移是辐射物质在黑洞周围的引力势阱中高速运动所造成的。这一谱线的形状最初被用来描述一个恒星质量黑洞天鹅X-1（见图1）的光谱，但是却在塞弗特星系MCG-6-30-15中首先被发现。
                                                    

                                      [图片说明]图1：黑洞天鹅X-1的想象画。
         
    直到最近，所掌握的有关恒星质量黑洞相关发射线的证据仍十分有限。恒星质量黑洞比起遥远的塞弗特星系中的超大质量黑洞要亮的多。但是，如果吸积盘是高度电离的，那么就很难发现铁的发射线了。然而，现在钱德拉X射线天文台（Chandra          X-ray Observatory）和XMM-Newton卫星已经在天鹅X-1和其他恒星质量黑洞中找到了这些谱线的证据。
         
    对于X射线卫星（例如，BeppoSAX）数据的重新分析发现了这些铁发射线的进一步证据。先前这些谱线大多数被认为是连续谱发射中的中断，或者被认为是由于辐射源过亮所造成的探测器故障。当然也有可能是我们错了。毕竟恒星质量黑洞光谱和塞弗特星系光谱的相似性看上去有些牵强。
         
    特别令人感兴趣的是这些谱线的低能区域，例如，天鹅X-1和XTE          J1650-500的光谱（见图2）。这些谱线预示了极强的引力红移，只有辐射物质在极靠近黑洞视界的情况下才能产生这些谱线。
                                                  

         [图片说明]图2：恒星质量黑洞中的铁发射线。红色表示XTE J1650-500的光谱和黑体谱的比值。蓝色表示天鹅X-1的。
         
    这些铁的谱线是来自黑洞边缘最直接的信息。这些天体在X射线波段的准周期振荡与轨道运动和黑洞边缘紧密相关。但是，现在还不清楚准周期振荡的调节机制，以及为什么无法观测到连续的高频准周期振荡。因此准周期振荡无法作为一种有效的探测手段。
         
    铁发射线的形状可以用来确定吸积盘的内半径和辐射轮廓。有时能谱中的峰值也预示了另一个能量源，例如旋转黑洞所释放的能量。
         
    虽然旋转黑洞已经被广泛接受，但是证明他们自转的证据才刚刚出现。对于一些黑洞而言，从铁发射线判断的吸积盘内半径已经接近一个非旋转黑洞的边缘。这一轨道与旋转黑洞的稳定轨道很接近。但是高速旋转黑洞会伴随强射电辐射的假说还没有得到证实。
         
    另一个决定铁发射线形状的因素是吸积盘的倾角。当吸积盘的边缘与视线相平时，多普勒效应会大大增强，尤其是高能部分。有理由相信吸积盘的倾角与双星轨道的倾角相同。事实上观测也证实了这一点。
         
    铁发射线是研究恒星质量黑洞周围物质环境的强有力工具，可以用来研究强大的引力场、黑洞的自转以及吸积和喷流模型。钱德拉X射线天文台和XMM-Newton卫星以及罗希X射线时变探测器（Rossi          X-ray Timing Explorer，RXTE）的联合观测将会使我们对恒星质量黑洞有更进一步的认识。