黑洞會發(fā)光嗎？如果可以發(fā)光，它又是如何發(fā)光的，是否類似于太陽

2023.04.08 云南

黑洞本身不發(fā)光。這就是為什么它被稱為黑洞。然而，靠近黑洞的物質(zhì)可以根據(jù)黑洞的引力發(fā)出光。

黑洞的藝術(shù)再現(xiàn)黑洞及其發(fā)光的吸積盤。

公共域圖像，來源:Christopher S. Baird。

黑洞是一個引力很強的空間區(qū)域，任何東西在此都無法逃脫，甚至是光。有意思的地方在于，光雖沒有質(zhì)量，重力也能影響它。如果引力遵循牛頓萬有引力定律，那么萬有引力對光確實沒有影響。然而，引力遵循一套更為現(xiàn)代的定律，即愛因斯坦廣義相對論。根據(jù)廣義相對論，引力實際上是由空間和時間的彎曲引起的。由于光在直線上穿過直線時空，時空的彎曲使光沿曲線運動。

光路的引力曲率是太過微弱，以至于我們在地球上無法注意到它。然而，當(dāng)重力非常強時，光的路徑彎曲則變得非常明顯。黑洞是一個時空如此彎曲的區(qū)域，以至于光最終能走的每一條可能的路徑都會彎曲并回到黑洞內(nèi)部。因此，一旦一束光進(jìn)入黑洞，它就永遠(yuǎn)無法離開。因此，黑洞是真正的黑色，它從不發(fā)光。

然而，這種限制只適用于黑洞內(nèi)的點。在黑洞附近（不在黑洞內(nèi)部）的光，肯定可以逃逸到宇宙的其他地方。事實上，正是這種效應(yīng)使我們能夠間接地“看到”黑洞。例如，在我們星系的中心有一個超大質(zhì)量的黑洞。但如果你把一個高倍望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)我們星系的中心并放大，你什么也看不到。黑洞本身就是黑的。黑洞的引力是如此之強，以致于它附近的幾顆恒星都繞著黑洞轉(zhuǎn)。

由于這些恒星實際上位于黑洞之外，所以這些恒星發(fā)出的光可以很好地到達(dá)地球。當(dāng)科學(xué)家們用高倍望遠(yuǎn)鏡在銀河系中心觀測了好幾年之后，他們看到的是幾顆明亮的恒星圍繞著同一個空白點旋轉(zhuǎn)。這一結(jié)果表明，該地點是一個超大質(zhì)量黑洞的位置。

另一個例子是，一個巨大的由氣體和塵埃組成的云團(tuán)可以落向黑洞。在沒有摩擦的情況下，黑洞的重力只會導(dǎo)致氣體粒子繞黑洞旋轉(zhuǎn)而不是掉進(jìn)去，就像恒星繞黑洞旋轉(zhuǎn)一樣(即黑洞不吸入)。然而，這些氣體粒子不斷地相互碰撞，從而將它們的動能轉(zhuǎn)化為熱能。隨著動能的損失，氣體粒子會更靠近黑洞。通過這種方式，摩擦導(dǎo)致巨大的氣體云向黑洞旋轉(zhuǎn)，并在途中升溫。

最終，氣體云落入黑洞并成為黑洞的一部分。然而，在氣體真正進(jìn)入黑洞之前，它已被加熱到足以開始發(fā)光，就像烤面包機(jī)在加熱時會發(fā)光一樣。發(fā)出的光主要由x射線組成，也可以包括可見光。由于這種光是在氣體進(jìn)入黑洞之前由氣體發(fā)出的，所以光可以逃逸到宇宙的其他地方。這樣，即使黑洞本身不發(fā)光，光也能從黑洞外發(fā)光的氣體云中發(fā)出。因此，我們可以通過觀察黑洞周圍發(fā)光的氣體云間接地“看到”黑洞。這種氣體云被稱為吸積盤。當(dāng)氣體的原子變得足夠熱時，原子的電子就會被剝離，導(dǎo)致原子變成離子。大部分電離的氣體云稱為等離子體。

情況變得更加有趣。隨著等離子云越來越靠近黑洞，等離子體運動得越來越快。與此同時，所有這些等離子體的空間越來越小。由于這種高速和擁擠效應(yīng)，一些等離子體反彈到遠(yuǎn)離黑洞的地方。這樣就形成了兩個巨大的發(fā)光等離子體噴流，它們被稱為天體物理噴流。噴流將等離子體射向遠(yuǎn)離黑洞的地方，再也不會回來，這同樣也可能是因為噴流中的等離子體從未真正進(jìn)入黑洞。當(dāng)這些噴射流由超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生時，它們可以延伸到幾十萬光年。例如，下圖顯示了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝到的M87星系的照片。圖片左上方亮黃色的點是星系的中心區(qū)域，而紫色的線是星系中心特大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的發(fā)光天體物理射流?？偠灾?，黑洞本身不能發(fā)光，但它的強引力可以在黑洞外形成吸積盤和天體物理噴流來發(fā)光。