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旋转意味着物质在失去能量时将沿着非常圆但实际上是螺旋状的轨道向内运动。
在黑洞附近,我们在第3章中提到的伦泽-蒂林效应则意味着,在半径较小的地方,吸积盘可能会与旋转黑洞的赤道面一致(这个论点中,此效应称为巴丁-彼得森效应)。
图15 艺术家关于吸积盘(从中可以看到射出的喷流——见第8章)和施主星的艺术效果图。
其中施主星正被吸积盘中心的黑洞的潮汐力所撕裂
如果气体是坍缩物质的重要组分,那么气体原子就可以与位于其所在轨道上的其他气体原子发生碰撞,而这些碰撞会导致那些原子中的电子被激发到更高的能级。
当这些电子回落更低的能级时,它们所释放的光子能量恰好是电子所在的较高能级与较低能级间的能量之差。
释放出光子就产生了辐射能,这意味着坍缩中的气体云损失了能量。
尽管能量被释放了出来,但整体的角动量保持不变。
因为角动量依然留存在系统中,所以坍缩中的物质仍然会在某个平面上保持初始净角动量的方向旋转。
因此,被吸引的物质将总会形成一个吸积盘——一种可以维持很长时间的物质绕着黑洞运转的结构。
由于绕转的物质可以离黑洞非常近,物质实际的热度可能达到令吸积盘所发出的辐射包含X射线光子,温度几乎等于1000万度(温度这么高的时候,使用开氏温标还是摄氏温标并没有太大关系)。
对牛顿物理学中一些熟悉的方程的简单分析表明,给定质量的下落物质所释放出的引力能,取决于其质量与它旋转落入的黑洞质量的乘积,以及下落物质最终距离黑洞的远近。
如图16所示,对于给定质量的,类似黑洞这样产生引力的物体,下落的物质离它越近,释放出的引力势能就越大。
可辐射出的能量是下落物质在加速之前位于远处时的能量(使用爱因斯坦著名的公式E=mc2计算,其中E是能量,m是质量,c是光速)与它在最内稳定圆轨道上的能量之差。
尽管聚变是地球未来能源的巨大希望,但它最多只能产生可用能量(由E=mc2计算出)的0.7%。
相比之下,可用的静止质量的更多部分,则可以通过电磁辐射或其他辐射从吸积物质中以能量的形式释放出来。
如第4章中所述,吸积物质能够到达离黑洞多近的地方,取决于黑洞的旋转速度。
如果黑洞旋转很快,则物质就可以维持在更小(或者说距离黑洞更近的)轨道上绕转的模式。
事实上,将物质吸积到旋转的黑洞上,是用质量换取能量的最有效方法。
人们认为正是这个过程为类星体提供了燃料。
类星体是宇宙中最强大的持续释放能量的场所,我们将在第8章中进一步讨论这个问题。
图16 该图显示质量(测试粒子)的势能如何随着到黑洞的距离减小而减小
我已经提到过质量和能量之间是等效的,并且对于史瓦西(无旋转)黑洞来说,原则上可以释放相当于其初始质量6%的能量。
罗伊·克尔找出的爱因斯坦场方程的解表明:旋转黑洞的最内稳定圆轨道的半径比相同质量的无旋转黑洞小得多。
原则上可以从克尔黑洞中提取更多的转动能,但前提是下落的物质按照与黑洞本身相同的方向转动。
如果物质按照与黑洞自转方向相反的方向转动,也就是说它处于逆行轨道上,那么就只有不到4%的静止能量会以电磁辐射的形式被释放出来。
假如物质坠入一个以最大限度自转的黑洞,并且自转方向与黑洞自转的方向相同,那么原则上如果该物质能够损失足够多的角动量,并且能够在顺行的最内稳定圆轨道上绕转,将有多达42%的静止能量能以辐射形式被释放出来。
它们吃得有多快?
我们在第6章提到过,位于人马座A*的银河中心黑洞的吸积率是每年亿分之一的太阳质量。
听起来似乎不多,但要知道,这相当于每年吞噬300个地球。
典型类星体的巨大光度所需要的物质落入量,是每年几倍的太阳质量。
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