互动科普

新的研究揭示了环绕年轻恒星及巨大黑洞的旋转气体盘的动力性特性。

在晴朗的夜晚仰望星空，看看能不能找到某些肉眼可以观察到的行星，如水星、金星、火星、木星和土星等。如果你能找到其中3颗以上，你将会发现它们似乎集中在一个相当狭窄的带状区域，该区域构成了一个环绕整个天空的大圈。黄道——即太阳在一年的时间里穿过黄道带上的各星座的视运动路径——就位于此带状区域中。如果你再定睛观看天空中那条不甚清晰的银河，你或许会注意到它构成了另一个横越天空的大圈。

这些观测到的几何事实并非偶然。太阳系的各大行星沿同一方向绕太阳旋转，而且，除了冥王星以外，所有行星差不多位于同一平面上。行星的这一布局有力地证明，所有行星形成于一个围绕早期太阳旋转的饼状物质盘内（这些物质绝大部分是气体和尘埃），同样，银河的外形证明银河系也是盘状的（夜空中隐约可见的银河就是银河系中无数恒星发出的光汇聚而成）。由于太阳系位于该盘内，因此银河系看起来就像是一个围绕着我们的巨大圆圈。

宇宙中呈盘状的结构司空见惯，它们的尺度相差悬殊。土星那魅力非凡的光环就是太阳系内盘状结构的一例，但并非只有土星才有光环，太阳系内所有巨行星都有光环。天文学家也在许多年轻恒星的周围观测到盘状结构，这类盘通常称为原行星盘，因为它们似乎与形成我们这个太阳系的气体盘非常相似。在某些双星系统中，从一颗恒星逸出的气体在被另一颗恒星的引力捕获之后将会形成盘状结构。在这类盘中，气体将会沿着一条包绕得很紧的螺旋形路径缓慢地向着恒星表面移动，看起来像旋涡一样。据认为星系中心的超大质量黑洞周围也有这种名为吸积盘的结构（超大质量黑洞的质量可达太阳的10亿倍）。最大的盘是银河系之类的旋涡星系，而银河系的直径在10万光年以上。

既然宇宙中到处都是气体盘，那么弄清这些盘的形成和演变自然就成了天体物理学的一个重要问题。天文学家认为，超大质量黑洞周围的吸积盘可能影响了星系的形成和演化过程。而探索年轻恒星周围的吸积盘的动力学特性，或许能在一定程度上揭示我们这个太阳系的早期历史。吸积盘猛烈的湍动使它们成为强大的能量来源；借助于最新的理论认识和现代的计算机模拟，科学家不久前提出了一个假说来解释这种剧烈的湍动。但其他现象（例如常常观察到从吸积盘中涌出的粒子喷流）则仍然是未解之谜。对于遍布宇宙的数十亿个旋转吸积盘，科学家需要考察的东西还多得很。

天上的“旋转木马”

吸积盘的旋转使它得以保持盘的形状而不会在引力的作用下坍缩。想象你坐在一只快得令人捏一把汗的旋转木马上，如果不死死抓住涂有迷彩的木马，你就会沿着木马转圈的切线方向笔直得甩出去。你的手臂仅仅抓住木马时所产生的力，恰好足以使你的身体作圆周运动，因此你能够稳稳当当地骑在木马上。木马的旋转使你难以向内挪动；如果你想向木马的中央靠近，需要费很大的力气。同样的道理，吸积盘内的物质的旋转使吸积盘不会在引力的作用下向内坍缩。

旋转物体具有角动量，这个物理量于物体的转速以及物体质量相对于转轴的分布状况有关（质量距转轴越远，物体的角动量就越大。）角动量对于我们了解旋转系统的行为具有关键意义，因为角动量同能量一样是守恒的，它既不可能凭空产生也不可能凭空消失。例如，一个旋转着的滑冰者在收拢双臂时可以转得更快。收拢双臂的结果是滑冰者的质量更加靠近其身体的转轴，因此，为了保持角动量守恒，滑冰者的旋转速度将加快。

角动量守恒说明了为何吸积盘在宇宙中如此常见。试考虑一团在自身引力的吸引作用下向内收缩的气体云，宇宙中的几乎所有东西多少都在转动，因而我们假定这团气体云具有一定的角动量。气体云在收缩时，角动量守恒的原理迫使它的旋转速度加快[见25页图]。旋转运动逐渐抵消了引力的作用，因此气体云赤道区域中的物质——也就是垂直于转轴的平面上的物质——向内的运动就越来越慢。与此同时，沿转轴分布的物质却以快得多的速度垂直落向赤道平面。这样所得到的天体就是一个靠旋转运动支撑着的盘状结构。

科学家认为，这一过程可以解释原行星盘是如何在年轻恒星周围形成的，或许还可以解释气体盘如何凝聚在位于星系中央的黑洞的周围。整个星系是否会变成一个吸积盘可以归结为时机问题：如果在各个气体团还没有来得及收缩成恒星之，如果在星系云演化到靠旋转运动支撑之前无数恒星就已经脱颖而出，那么这些恒星就将保持它们各自环绕星系中心运行的轨道，从而形成一个椭圆星系。一般来说星系不是孤立地形成，星系之间的碰撞和合并使问题大为复杂化。除了漩涡星系的凸出部和晕以外，至少有部分椭圆星系可能也是通过星系的碰撞而形成的。

当双星系统的一颗恒星（比如体积很小而密度极大的白矮星）凭借其引力把伴星中的气体拉出来时（伴星通常是一颗体积很大而密度较低的恒星），双星中也会形成吸积盘。伴星中跑出的气体从两颗恒星绕其公共质心的原始轨道运动中获得了相当大的角动量，因此这些气体通常不可能直接落向白矮星，而是最终形成一个围绕白矮星的吸积盘。

水星的一年只有88天，比地球短得多。与此相仿，吸积盘内侧的物质在其轨道上绕恒星环形一圈所需的时间总是比外侧的物质要短。轨道周期的这种梯度变化造成了切变现象，也就是吸积盘中心的距离略有不同的物质彼此间出现滑动[见27页图]。如果吸积盘的物质中存在某种形式的摩擦，那么它将倾向于降低跑得较快的内侧区域物质的速度，同时加大跑得较慢的外侧区域物质的速度。因此角动量就从盘的内侧区域向外侧区域传递。其结果是内侧区域的物质将失去旋转运动的支撑，导致它无法顶住引力而开始向里面掉下去。总的结果是物质沿着一条渐进的螺旋路线向中央恒星或黑洞靠拢。

当物质沿螺旋路线推进到吸积盘最内侧的轨道上时，它必定已释放出其引力势能。其中一部分势能转化为物质在向内落下时轨道速度的加快，其余的势能则通过摩擦本身的作用而耗散为热能或其他形式的能量。因此，吸积盘中的物质有时会变得非常炽热，发射出大量可见光、紫外光及X射线。这一能量释放可以使吸积盘成为惊人的能源。

这一现象正是促使天文学家注意到黑洞存在的最初证据。黑洞本身不能发射光，但黑洞周围的吸积盘却能发射光（这里忽略了理论上推测的霍金辐射。除了最小的黑洞以外，其余所有黑洞的霍金辐射式无法探测到的，而且天文学家尚未在宇宙的任何地方观测到此种辐射。）据爱因斯坦的广义相对论，黑洞周围的吸积盘释放出来的能量应该相当于吸积盘物质静止质量能的10%左右（静止质量能等于质量乘以光速的平方）。这一能量高得惊人，它比吸积盘物质发生热核反应时（例如恒星或氢弹中发生的热核反应）释放出的能量多10倍以上。而此预测与天文学家对类星体辐射的观测结果相当温和。（类星体是一种非常明亮的天体，天文学家认为它们的能量来源于早期星系中央超大质量黑洞周围的吸积盘。）在计算出给定空间区域中的所有类星体历来释放出的总能量之后，人们发现这一结果大致等于一个相应区域中目前观测到的所有超大质量黑洞总质量的10%乘以光速的平方。

空间的湍流

这一惊人的能量释放由吸积盘内的摩擦所引起，但此种摩擦的性质应如何界定呢？一种可能性是构成吸积盘物质的粒子彼此不断碰撞，并通过碰撞交换少量的能量和角动量。土星的光环内发生的正是这种情况。当构成土星光环的砾石彼此碰撞时，它们的能量耗散为热，而角动量则向外传递。通常的流体行为与此非常相似。事实上，我们可以把土星的光环看作一种粘性流体，光环中的岩石就相当于互相碰撞的分子。碰撞使光环倾向于沿径向扩展开来，但土星的卫星却起着角动量储存库的作用，把光环限制起来。

遗憾的是，这种简单的机制无法解释其他多种吸积盘内发生的过程。在双星或星系中心的吸积盘中，粒子碰撞所产生的物质内流，比起这些吸积盘的亮度所需要的物质内流量小许多个数量级。另一种可能性是吸积盘内的大尺度螺旋波（类似于星系的旋臂）可以加快物质的内流。正如声波穿过空气传输能量一样，螺旋波也可以向外传输能量和角动量，促进物质向内聚集。事实上天文学家已经发现，有证据表明某些双星系统的吸积盘中存在螺旋波结构。但是这些系统中的螺旋波似乎不够大，它所产生的物质内流量不足以解释观测到的吸积盘辐射。

不过许多天体物理学家相信，对于吸积盘内发生的摩擦，最普遍的机制应该是湍流。湍流产生非常猛烈的大尺度碰撞，从而加快物质的内流。当水在管子中流动时，由于水的粘性作用，管子中心处的水流速度最高，而管子内表面处的水流速度最低。如果让水的流速加快，那么这种速度切变将更加显著，最终导致水流失稳，变成混沌的湍流。由于吸积盘中也存在切变率极高的流动，早在1970年代科学家就提出吸积盘必定也是高湍动的。但当研究人员试图用流体流动的基本方程和计算机模拟来验证这一现象时，他们却发现没有丝毫迹象表面吸积盘中会产生湍流。

究竟什么原因导致这一否定结果，至今仍是众说纷纭。可能是计算机模拟出了什么问题，也可能是用管子中的水流来比拟吸积盘并不正确；吸积盘之类的旋转系统本质上就是与水流迥然不同的现象。研究人员曾进行了一些实验室试验以寻找与吸积盘相似的流动过程是否存在湍流，但其结果同样存在争议。这些实验偶尔也观测到湍流，然而导致湍流出现的效应在真正的吸积盘中是不存在的。

尽管如此，天文学家关于吸积盘存在湍流的信念始终坚定不移。基于这一假设，绝大多数研究人员对于前苏联物理学家Nikolai Shakura及Rashid Sunyaev在1973年提出的一项关于吸积盘湍流效应的初步数学估计均表认同。研究人员通过这种快刀斩乱麻的方式干净利落地解决了这一难题之后，得以建立吸积盘的理论模型并把它与真实吸积盘的观测结果相比较。过去几年中这方面的研究已取得了若干项成就。例如，双星系统中的某些吸积盘的亮度偶尔会大幅度地暂时增强（这种现象的一个例子是所谓矮新星，也就是双星系统中白矮星周围的吸积盘发光突然急剧增加所形成的新星。）科学家已令人信服地证明，亮度短暂增强是吸积盘的不稳定性导致物质迅速向内流动而造成的。

尽管取得了这些成就，Shakura-Sunyaev方案其实只是掩盖了我们的无知而已。模型预测和观测数据之间，可能会因为这个公认的对吸积盘湍流的估计不正确而出现矛盾。此外，除了造成吸积盘内的角动量转移之外，湍流说不定还有其他一些可以观测到的效果，但如果不了解这些效果背后的机制，研究人员就无法对它们进行预测。

天文“赛车场”

可喜的是，湍流问题在1991年取得了一项引人注目的突破。那一年美国弗吉尼亚大学的Steven Balbus和John Hawley意识到，如果吸积盘中的物质是高度导电的且已被磁化（即使只是轻微地磁化），那么磁场将会在吸积盘中产生一种流体不稳定性。这种不稳定性总是引起一股使角动量向外传递并把引力结合能耗散掉的湍流。此效应被命名为磁旋转不稳定性（MRI），研究人员现在认为它在许多吸积盘的行为中起着关键性作用。

在一种高度导电的介质中，磁场线必定随着介质的主流一起运动。物质走到哪里，磁场就跟到哪里。同时磁场还对介质产生力的作用。特别是如果磁场线发生弯曲，它就会像有弹性的弦那样产生张力。

为了了解磁场线的作用，我们想象有两个用螺旋形弹簧拴在一起的粒子绕地球做规定运动[见本页图]。如果两个粒子暂时分开（一个离地球稍近些，另一个稍远些），大多数人会认为弹簧中产生的拉力将把两粒子拉回到原先的位置上。但如果张力足够弱的话，张力的存在歧视会使两粒子分开得更远。由于角动量守恒的缘故，向内移动的粒子其轨道速度必定会加快，而向外移动的粒子必定会减慢。张紧的弹簧倾向于速度较快的内侧粒子减慢，而速度较慢的外侧粒子加快。内侧粒子在失去部分动能后就更加向内靠近（其轨道运动速度反而更快），同时这一加速把外侧粒子向外甩得更远（其轨道速度也更慢）。事实上，弹簧把角动量从内侧粒子传递给了外侧粒子。在由带电粒子组成的吸积盘中，磁场线所起的作用与此如出一辙。

人们很容易看出这种不稳定性是如何导致湍流的。为此我们用赛车来做另一个比拟。假定一个环形赛车场内侧车道上的赛车跑得较快，而外侧车道上的赛车跑得较慢，如果有人把不同车道上的赛车用链条系在一起，那么内侧车道的赛车将因受到向后的拖曳也失去动量，外侧车道的赛车则被向前猛拉而获得动量。结果将是赛车陷入一团混乱，互相撞得面目全非，恰似吸积盘中形成的湍流一样。

MRI的发现使我们对吸积盘的认识彻底改观。现在的情况与20世纪初天文学界的情况颇为相似，当时天文学家首次认识到恒星能量的主要来源是发生在恒星中央的核聚变反应。而现在天体物理学家推导出了类星体和活动星系核之类比恒星强大得多的能源是靠什么机制驱动的。（活动星系核是能量极高的星系内核，据认为它们的能量也是由掉进超大质量黑洞的物质提供的。）研究人员目前正在考察MRI湍流在不同的物理环境中是如何起作用的，并考察湍流的这种作用可以如何解释各种类型的吸积盘已观察到的行为异常。

例如

，有些科学家对于MRI湍流是否及如何在原行星盘中起作用颇感兴趣。这类吸积盘所形成的环境比白矮星、中子星和黑洞周围的吸积盘环境冷得多，因为它的中央恒星的引力比上述几种天体小得多。其结果是这些吸积盘主要由电中性的尘埃和气体而不是由离子化的等离子体构成。磁场是否会影响这类物质的流动，现在还远远没有搞清楚。

我所在的研究小组和其他一些研究小组正试图弄清MRI在黑洞周围炽热而不透明的吸积盘中如何起作用。这些吸积盘中的湍流有时是超音速的，它们反复地形成由带电粒子组成的激波，就象超音速飞机一样。由于这些运动可以提高光子的能量，而且光子更容易穿过激波之间相对透明的区域一，因此MRI湍流可能会形成一些独特的辐射模式。天文学家应该能在黑洞系统中观测到这类模式。

振荡和喷流

既然天文学家认为许多吸积盘中都有高度紊乱的流动，那么观测结果显示这些吸积盘的辐射输出变动程度非常之大也就不足为奇了。这些变化通常是随机而混沌的，但混沌中偶尔也存在规律。值得注意的是，光输出中反复地出现了一些令人费解的模式[见本页图]，有时还可以明显观察到某些相当确定的频率的振荡。在研究中子星和恒星质量级黑洞（质量相当于4-15个太阳质量的黑洞）周围的吸积盘中的振荡时，Rosi X射计测时探测卫星给天文学家提供了巨大的帮助（该卫星可以测定X射线亮度的迅速变化）。

天体物理学家对于造成这些变化模式和振荡频率的原因一无所知。美国斯坦福大学的Robert Wagoner及其他研究者提供了一种颇为吸引人的解释：这类振荡反映了吸积盘的离散振动模式，它们与小提琴弦的谐波有异曲同工之妙。此外，正如小提琴弦奏出的音符可以揭示弦的张力和质量一样，所观测到的吸积盘频率或许也能让天文学家窥知吸积盘的结构以及中子星或黑洞周围的时空。

吸积盘中沿螺旋路线运动的物质释放出的引力结合能有很大一部分最终转化为辐射，但有时这些能量也驱动粒子从吸积盘中逸出而形成粒子风和喷流[见26页图文]。天文学家正在努力探索这类外流结构是如何产生的，以及哪些因素决定了吸积能量在辐射光度和动能光度之间的分配。不同类型的吸积盘很有可能通过不同的机制把粒子从吸积盘中驱出。在某些情况下，这些外流结构或许对吸积盘起着支配性的影响，因为它们不仅把吸积盘的质量和能量运到外面，而且可能还带走了相当多的角动量。

对于某些类型的外流结构，一种可能的驱动机制是吸积盘产生的光子的压力。虽然光子的静止质量为零，但它们仍具有动量。当光子被物质散射时，它们将与所撞上的粒子交换动量，从而对粒子施加一个力（这就是太阳帆的原理）。天文学家已经知道，年轻大质量恒星发射出的紫外光子被恒星周围的原子和离子散射后所产生的力推动着粒子风向外吹去。同样，白矮星周围以及活动星系核或类星体内的吸积盘发出的紫外光子也可能驱动粒子风从吸积盘内逸出。

有的系统（如年轻恒星及某些类型的活动星系核）会产生极快而细窄的粒子喷流。这些喷流延伸到很远的距离上——对于年轻恒星，它们扩展到几光年远的地方，而对于活动星系核，它们跨越的尺度可以超过几百万光年。喷流在这样远的距离上始终保持沿直线行进的狭窄细束的形状，这一事实表明磁场可能在其中起了作用。（天文学家还根据磁场对射电波偏振的影响，推断出活动星系核中存在着磁场。）由于吸积盘本身据认为是磁化了的，因此吸积盘的旋转可以把磁场线拧成螺旋的形状。绕着粒子喷流盘旋的磁场线的张力可能有助于约束喷流。早在1980年代，美国加利福尼亚理工学院的Roger Blandford和David Payne就提出，吸积盘的转动或许也有助于把物质沿磁场线向外甩出，从而产生喷流的初始加速和质量输入。遗憾的是，我们还不知道吸积盘中非常复杂的MRI湍动模式的内向吸积流与外向喷流中显然更为有序的磁场结构之间存在着什么样的关系。但是关于吸积盘磁场的研究目前正取得迅速的进展，或许有望帮助我们解答此类问题。

天体物理学家用了几十年时间努力弄清吸积盘的奥秘，现在我们确信对这类系统已经有了基本的认识。随着进一步考察磁湍动如何在不同的环境中发挥作用，我们希望有朝一日能洞悉这些旋转气体盘所展示的各种现象。我们的太阳系正是从吸积盘中脱颖而出，因此，揭开这类别具魅力的天体的发展和演化真相，或许最终将有助于解释我们人类究竟是怎么来的

武晓岚/译

曾少立/校