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在黑洞的周围,如果没有动力源,能够在多近的位置上不被吞噬?

连光都能吞噬的黑洞,能躲多远就躲多远。但是,如果真的能飞到黑洞旁边,你能距离一个黑洞有多近呢?如果没有动力源,在距离黑洞多近的位置上,才有可能维持稳定的公转而不坠入黑洞的深渊呢?

我们知道,黑洞是宇宙中最恐怖的天体,能够吞噬包括光在内的一切靠近它的物质。质量越大的黑洞,引力范围就越大,也就能够吞噬更远的光。德国天体物理学家卡尔·史瓦西告诉我们,任何一个黑洞都有属于它的史瓦西半径,在史瓦西半径内的所有光都会被吞噬。史瓦西半径的边缘,就被称为事件视界。

对于普通的物质或者天体来说,黑洞的“死亡镰刀”就伸得更远了。它们的速度不会有光速那么快,所以要离黑洞更远一些,才能不被吞噬。即便如此,还是有很多天体走得太远,被黑洞“俘获”。在黑洞的引力下,它们被撕扯成碎片,旋转着向黑洞下落。

(图片说明:物质向黑洞下落的示意图)

在下落的过程中,这些物质会形成盘状结构,围绕在黑洞周围,“排着队”等着被黑洞吞噬,这就是黑洞的吸积盘。吸积盘内的物质会相互摩擦,产生大量的能量,使其发出耀眼的光芒,这也是网络上大部分黑洞图片中我们看到的明亮部分。

宇宙中的黑洞分为三种,恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。其中超大质量黑洞最为恐怖,有的时候会疯狂地吞噬周围的天体。和其他的黑洞相比,超大质量黑洞的吸积盘也更加明亮,甚至超过一个星系的亮度。由于这些超大质量黑洞都位于星系的中心,所有这种异常明亮的超大质量黑洞又被称为活跃星系核。

这种异常的亮度,说到底来自于这些物质的动能。随着动能降低,物质的速度也就降低了。原本能够稳定绕黑洞公转的,如今速度降低,这些物质也就不可避免地落入黑洞之中了。

在吸积盘的内部,还有一个临界区域。在这个区域内,即使是没有摩擦力,也不可能稳定地围绕黑洞旋转了。这个位置在吸积盘和黑洞的事件视界之间,一旦到了这里,除非有额外的动力源,否则就注定要被黑洞所吞噬了。

这个边界,被称为最内层稳定圆形轨道,简称为ISCO。这个概念,也是来自于爱因斯坦的广义相对论。

说到广义相对论,就不得不感慨于爱因斯坦的伟大。他在一百多年前提出的这个理论,直到今天还没有完全被证实——不是不正确,而是人类还没有这样的技术。ISCO就是其中一个,直到今天,科学家们仍然无法完全证实这个理论。

科学家们认为,目前最好的办法,就是利用向黑洞下落的气体以及一种名为反响映射的手段,来验证这个理论。所谓的反响映射,就是利用黑洞周围不同区域拥有不同的发光方式,利用发射线对于连续谱的响应来测量宽发射线区半径的方法。

正如我们前面所说的,气体在随着吸积盘绕黑洞旋转时,会因为动能减少而脱离稳定轨道,坠入黑洞。在下落的过程中,它会途径位于吸积盘最内部的ISCO。在这个时候,这些气体的温度已经相当高了,会释放出非常强烈的高能X射线。

这种X射线会向周围所有的方向照射出去,我们在地球上就可以观测到它。在这样的X射线光芒下,吸积盘的结构细节甚至都会消失。

X射线在射到吸积盘之外的区域时,会照亮这些区域的冷气体团块。这里的气体分子就会被X射线激发,它们就会发出荧光。同样的,我们也可以在地球上检测到这些荧光。这种荧光和来自于吸积盘内部的X射线是不同的,我们可以将二者区分开来。

研究表明,光线在从ISCO和吸积盘外部区域向外传播到这个冷气体团块是一个过程,这个过程中,如果我们找到合适的方法进行观测,就会发现ISCO周围的区域会首先出现荧光。随后,当光线传播到冷气体团块时,才会看到外层的反响映射出现。

至于这个反响映射出现的时间等属性,就与黑洞的吸积盘有关了,后者则与黑洞的质量是相关的。去年的时候,有科学家们利用计算机模拟了ISCO内部气体的运动情况,比如气体是如何坠入黑洞的事件视界的,以及这个过程中如何影响周围和外部的X射线发射。

结果他们发现,对于我们来说,现有的观测设备都还不足以发现这样的X射线。想要验证ISCO的存在,我们还需要开发下一代更加强大的X射线望远镜。

(图片说明:NASA的钱德拉X射线天文台,还不足以观测到ISCO)

这个宇宙中引力最极端的区域,蕴藏着广义相对论的秘密。爱因斯坦在一百多年前提出的理论,如今仍然有一些内容超出了人类的验证范围。想要完全验证广义相对论,科学家们还有一段相当长的路要走。

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