黑洞周围“暴跌区域”证明爱因斯坦又对了？国家天文台乔二林：还需进一步探索

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第76期，对话中国科学院国家天文台研究员乔二林。

嘉宾简介：

乔二林，中国科学院国家天文台研究员，主要从事黑洞天体物理学研究。

划重点：

1. 天文上所说的黑洞既不发光，也不发热，因此，孤立的黑洞很难被探测到。在实际的天体环境中，主要通过研究黑洞和周围物质的相互作用过程，并结合多波段的电磁辐射来揭示黑洞的基本性质。

2. 根据爱因斯坦广义相对论，与黑洞“暴跌区域”密切相关的半径有两个，一个半径是黑洞周围物质运动的最小稳定圆轨道，另外一个半径是黑洞的视界面。“暴跌区域”就是指视界面和最小稳定圆轨道之间的区域。

3. 在“暴跌区域”，物质掉落下来的速度会特别快，长期以来在计算黑洞周围流体辐射时并没有把这部分辐射加进去。

4. 黑洞的质量、自旋、以及黑洞吸积盘倾角的大小，黑洞离我们的距离，这些参数都会影响最终的计算结果，所以“暴跌区域”的物理性质还不能百分之百敲定，仍需要进一步探索。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

从古至今，宇宙都以它的神秘莫测吸引着一代又一代人类不断进行探索追寻，而宇宙中最奇特的天体之一，莫过于黑洞。

爱因斯坦的广义相对论曾预言，一旦物质足够接近黑洞，黑洞巨大的引力将迫使物质放弃圆形旋转轨道，直接以光速坠入黑洞。

近日，NASA的两台天文观测设备，NuSTAR（核光谱望远镜阵列）和NICER（中子星内部组成探测器）的最新观测结果，首次揭示了黑洞周围的“暴跌区域”。

什么是“暴跌区域”？“暴跌区域”在哪里？有多大？与爱因斯坦的广义相对论又有什么关系？带着这些问题，搜狐科技对话了中国科学院国家天文台研究员乔二林。

如何探测黑洞？黑洞的视界面是什么？最小稳定圆轨道又是什么？

黑洞是广义相对论所预言的存在于宇宙空间中的一种致密天体。“黑洞”这个词最早是在1964由美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）提出的。

“我们天文上所说的黑洞既不发光，也不发热，孤立的黑洞是很难被探测到的，因此，在实际的天体环境中，可以通过研究黑洞和周围物质的相互作用过程，并结合多波段的电磁辐射来揭示黑洞的基本性质。”乔二林如是说。

众所周知，黑洞本身的引力特别强，连光都无法逃逸，当气体“掉落”黑洞的过程中，引力能会通过摩擦等一些相互作用转化为内能，这就会把气体加热到一个很高的温度。

恒星级黑洞周围气体会被加热到约107 K（千万度），它产生的典型辐射就是X射线，NuSTAR和NICER就是研究恒星级黑洞非常重要的观测设备。

谈及这里，许多网友会好奇，黑洞有哪些种类？据了解，目前我们认识的黑洞有三大类：恒星级质量的黑洞、中等质量的黑洞以及超大质量的黑洞。

中等质量黑洞目前还没有确凿的观测证据，而超大质量的黑洞则有上百万个，一般处于星系的中心。恒星级黑洞就是由大质量恒星在演化过程中经历引力坍缩而形成的，目前观测确认的恒星级黑洞大约有二十几个。

除此之外，在解释“暴跌区域”前，还有两个有关黑洞的基本概念需要明晰：一是视界面，二是最小稳定圆轨道。

“黑洞不发光不发热，吸引万物，每个黑洞都存在一个表面，这就是视界面，所有东西掉入视界面都有去无回。”乔二林形象地解释道。

在广义相对论下，存在一个最小的稳定圆形轨道，这与黑洞本身自转有关。在最小稳定圆形轨道以内物质的运动会很不稳定，会以非常快的速度落入黑洞视界面。

“暴跌区域”非常小，加上“暴跌区域”的辐射能够完美拟合观测结果

最小稳定圆轨道以外的气体运动可以是稳定的，而气体一旦进入最小稳定圆轨道内，就无法稳定地按照原来的轨道进行，会特别快地掉入黑洞。

乔二林指出，黑洞有两个非常关键的半径，一个半径是最小稳定圆轨道，另外一个半径就是视界面，“暴跌区域”就是视界面和最小稳定圆轨道之间的区域。

“一般来说，不自转的黑洞（又称为史瓦西黑洞）的最小稳定圆轨道要比视界面大三倍，以接近光速转动的黑洞（又称为极端自转的克尔黑洞），它的视界面和最小稳定圆轨道基本上是重合的，所以这种情况暴跌区域是非常小的。”乔二林如是说。

乔二林进一步解释道，在“暴跌区域”，物质掉落下来的速度会特别快，所以长期以来在计算黑洞辐射时并没有把这部分的辐射加进去，也就说从最小稳定圆轨道到视界面这个区域里的辐射没有算进去。

通过图1我们可以看地非常清楚。黑色的符号代表观测数据，也就是观测到的X射线辐射，其它线条代表理论模型预测的结果。

这里rI指的是最小稳定圆轨道，绿色的线是r＞rI代表最小稳定圆轨道外的辐射，黄色的线是r≤rI，代表最小稳定圆轨道和视界面之间的辐射，也就是“暴跌区域”的辐射。

把上述两条线的辐射值相加会得到蓝色的线，再加上红色线的辐射（也是大于rI的一种被称为冕的物质的辐射），就会得到代表全部辐射（Total）的这条粉色的线，可以发现这条线和观测数据拟合的特别好。

图1 图片来自论文

从图2可以看到，左侧图片没有加入橙色的点线，也就是没有加上“暴跌区域”的辐射值，得出来的总辐射值（蓝色的线）与观测结果（黑色符号）拟合的不够好，而右侧图片加上橙色的点线后可以完美拟合，特别是搜狐科技圈红的地方。

图2 图片来自论文

爱因斯坦的预言又对了？有关“暴跌区域”的研究结果准确吗？

根据广义相对论的计算，一般情况下视界面的大小并不等于最小稳定圆轨道的大小，所以当物质从最小稳定圆轨道掉到黑洞视界面内之前，中间还隔着一个区域，这个区域理论上一定是存在的，但是需要观测检验，乔二林解释道。

那么我们一定会疑惑，难道以前没有人计算过“暴跌区域”的辐射值吗？

对此，乔二林表示，以前也不是完全没有人计算，但由于涉及到广义相对论偏微分方程等内容，计算非常复杂，而且因为这个区域物质掉落的特别快，到底有多少辐射并不是非常确定。

而这篇文章的重要性就在于论文作者较为仔细地计算了这个区域的辐射，并结合NuSTAR和NICER最新的观测数据，对“暴跌区域”的辐射进行了研究。

此外，谈及研究结果本身，乔二林表示：“这是一个很重要的研究进展，但是由于模型参数的简并问题，例如，黑洞的质量、自旋、黑洞吸积盘倾角的大小，黑洞离我们的距离，这些因素都会影响最终的计算结果，这使得该研究结果有一定的不确定性。

对话最后，乔二林表示：“这是一个非常漂亮的研究工作，但是要百分之百敲定“暴跌区域”的性质还需要进一步的研究。”返回搜狐，查看更多

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