谁说万物皆可盘?你听说过吸积盘吗
发布时间:2019-02-11
出品:科普中国
制作:中科院物理所科学传播协会
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  神奇的吸积盘 

甜甜圈(图片来源:https://www.krispykreme.com.au/the-simpsons-d-ohnut 

环绕在椭圆星系NGC 4261 中央的超大质量黑洞周围的吸积盘(图片来源:维基百科) 

    

  在日常生活中,甜甜圈和DVD光碟时常可见。而在宇宙中,长相类似的结构被称为吸积盘。与中央空心的甜甜圈,光碟不同,吸积盘的中央往往有质量颇大的天体:可以是星星,也可以是黑洞。 

吸积盘气体向内旋转示意 

    

  吸积盘的研究可以追溯到上世纪40年代,在那时人们还尝试使用基本的物理原则来构筑理论。但随着工作的推进以及和观测的比对,天文学家们发现了一些问题。其中一个问题是:吸积盘的气体是环绕着中央天体向内旋转的,势必会在失去引力势能的时候,也失去角动量。而为了保证吸积盘的角动量守恒,需要一个机制来向外散去多余的角动量。在当时,这个机制尚不明朗。 

  直到1973年,俄罗斯天文学家 Rashid Sunyaev Nikolai shakura 提出,气体中存在的湍流可能是由气体黏性增强造成的。这种现象的发生加热了吸积盘里向内旋进的气体,并通过向外辐射能量的方式释放一部分的引力势能。当然,这个富有前瞻性模型并没能解释所有吸积盘的机制。 

  时间过去18年,又有Balbus Hawley 提出了囊括了磁场在内的模型。直到今天,人们仍在持续摸索吸积盘的形成机制。 

Rashid Sunyaev(图片来源:维基百科) 

    

  研究吸积盘之所以重要,是因为包括活动星系核、原始行星盘以及伽马射线暴等天体或天文事件的研究中都能看到它的身影。这些吸积盘的中央天体往往会对外发射高能量的喷流。喷流的方向,往往与吸积盘是垂直的。 

  对于一个“星—盘系统”来说,发射喷流既能释放掉一些角动量,也能尽可能的保留系统质量。吸积盘有时候能把天体10%40%的质量转化成能量。相比于核聚变0.7%的能量转化率,这个转化率着实高得吓人。 

图片来源:YouTube 

    

  吸积盘是多种多样的存在。其中最瑰丽的,可说是那些环绕着活动星系核和类星体的吸积盘了。通俗的说,活动星系核和类星体被认为是位于星系中央的大质量黑洞。 

  当物质进入吸积盘的时候,它们会沿着一条向内螺旋的路径(tendex line,来自于拉丁语里的“拉扯”)进入。这是由于当粒子们身处湍流之中时,它们会因为相互碰擦,摩擦生热,从而向外辐射能量。这样的行为会同时减小粒子的角动量,从而使这些粒子向内漂移,形成向内的漩涡。 

  角动量的耗损体现在速度的减小上:当粒子的速度变慢,它会“不由自主”地选择更低的轨道。当这个粒子去到低轨道时,它本身带有的一部分引力势能会被转化,反而让它加速。事实上,加速后的粒子,尽管失去了一部分的角动量,速度却比从前更快了。 

  就这样,粒子一次又一次的进入更低的轨道,一次又一次的加速,也一次又一次地向外辐射能量。如果中央天体是黑洞的话,在视界之外,吸积盘甚至能辐射X射线。类星体的超高亮度,就被认为是气体被超大质量黑洞吸积的结果 。 

  另一种美丽的吸积盘来自于双星系统。在这个系统里,比较重的一方会更快地演化并且变成一颗白矮星,一颗中子星,甚至是一个黑洞。而比较轻的一方,会到达巨星的状态。当它超过自身极限时,其本体的气体会被输送到较重的那个天体。 

  为了保持角动量的平衡,这个气体输送的过程会造就一个吸积盘,而不是将气体直直地从一颗星星送到另一颗星星上。 

双星系统 4U 0614 +091 艺术想象图(图片来源:http://www.spitzer.caltech.edu/images/2260-sig06-014-Stellar-Jets 

    

  参考文献 

  [1] Weizsäcker, C. F. (1948). "Die Rotation Kosmischer Gasmassen". Zeitschrift für Naturforschung A. 3: 524539 

  [2] Shakura, N. I.; Sunyaev, R. A. (1973). "Black Holes in Binary Systems. Observational Appearance". Astronomy and Astrophysics. 24: 337355 

  [3] Balbus, Steven A.; Hawley, John F. (1991). "A powerful local shear instability in weakly magnetized disks. I Linear analysis". Astrophysical Journal. 376: 214233 

  [4] ESO/M. Kornmesser, Nick Risinger, Outflow from active galaxy NGC 3783 (artists impression).ogv, 20 June 2013  

关闭