Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第十章  照明
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月26日08:21:41 星期天), 站内信件


    那黑色熔炉的中央，那送出无数太阳的地方，无穷的魔力在那里蕴藏。

    　　　　　　　　　　　　　　　--阿瑟·里姆包德（ Arthur Rhobaud）

    　照明问题

    表示一个物体的最好方式之一是由拍照来获得它的图像。我们能够想象给黑洞
拍照吗？

    这个问题看似荒唐，因为黑洞按其定义不能发出光来，但是，事实上，所有温
度足够低的物体自身都不具有可探测的辐射源，也就是说和黑洞一样不发光。这些
物体要能被我们看见，就必须被照明。行星的核心不产生热核能量，如果不是其表
面反射太阳光，它们在夜空里是不可见的（木星这颗太阳系的最大行星，有一种内
部能源，由于其核心的轻度收缩，原子氢转变成金属氢，形成像冰那样的固体晶格
。这种相变释放出少量能量，使木星自身能发光，这个光度稍大于反射的太阳光）
。

    在这个意义上，黑洞也同行星一样。一个不被照明的黑洞是不可见的，但在适
当的光照下也可以得到它的图像，给黑洞照相是能办到的！

    自然界的任何一个物体都以某种方式吸收和反射电磁辐射。图川所示的实验用
平行光束来照射几个"理想"物体，并观察与人射方向垂直的方向上的反射光，所得
图像的类型取决于物体的性质，即物体如何与电磁波反应。

    在完全黑体的情况（例如一只涂了完全吸收光的黑颜料的球），所有光线都被
吸收，没有任何反射，观察者什么也看不到。

    对于一个粗糙的表面（如月亮和行星），光线被各向同性地反射，就是说在所
有方向上的反射强度都相等，因而在表面上每一点都可以有一条光线相对于人射方
向偏转90"而到达观察者那里，结果就是人们熟悉的半月图像（图30b）。

    第三种物体是完全反射的金属球。这时表面上只有一个点能使一条人射光线偏
转90"而被观察者接收到。该球的图像缩成一个光点，座落在该球实际半径0厂07倍
的位置一L（图30C）。

    最后一种情况是黑洞。与前三者的根本区别是，黑洞并没有一个光线可以撞击
并被反射的物质性硬表面，使光线偏转的是黑洞的引力场，因此黑洞的势力范围就
不只是其视界，而是延伸到无穷远。光线的轨道并不是因与一个表面的碰撞而改变
，而是被引力场所弯曲。在这个照明实验中，黑洞的引力场使几条光线朝观察者偏
转。黑洞的图像由一系列照明点组成（图30d）。在左边，黑洞史瓦西半径的2．
96倍，已被偏转90"的光线形成"主级"图像；右边的261倍史瓦西半径处，多偏转了
半个圆的光线（共偏转270"）形成"次级"图像。通过对与光线轨道对应的史瓦西时
空测地线的完整计算表明，黑洞有着无数个图像，第三个图像对应着偏转450"的光
线，依此类推，每次都多偏转半个圆。但是实际上从第三级起的图像强度都很低，
并且很靠近主级或次级图像，因而不能分辨出来。

    因此可以得出结论，在各种本身不发光的天体中，黑洞远不是最暗的，对它们
的探测比对黑体球或高度反射的球要容易。

    　黑洞的光轮

    上述实验还可以改变成另一种形式，即也用平行光束照射黑洞，但在同方向上
观察反射回来的光，结果如图对所示。

    黑洞的像被放大了，像的半径为实际半径的26倍。这是因为入射光的很大一部
分被黑洞捕获，不仅是那些直接射入视界的光，而且所有在距中心5．ZM以内经过
的光也都落入黑洞（黑洞的实际半径是ZM），所形成的图像就是一个黑色的盘面被
一系列同心光环所围绕。这个结果很像传统光学中熟知的光轮效应：当阳光被雾里
的无数小水滴散射时，一个人有时能看到自己头部的阴影被许多明亮的光环围绕着
。

    对于黑洞的光轮效应，只有较靠外的光环能被看到，而靠近黑洞的光环是不可
能分辨出来的。

    　头和尾

    刚才给出的这些实验并不只是一种智力测验，这是因为，如果黑洞确实存在，
它们就很有机会被某种自然光源照亮。

    对于一个黑洞或一颗行星来说，最显而易见的照明光源是一颗恒星。比如说，
这颗恒星可以和黑洞一起束缚在～个双星系统里，但是，尽管这种系统在银河系里
可能很多，但其中的黑洞是不能由照明效应来探测的，因为由反射光所形成的黑洞
像会完全淹没在恒星自身直接像的强光里。

    从观测的角度来说，一个有趣得多的情况是，照明光源是围绕着黑洞的一系列
物质环，第四篇里将论证，许多黑洞周围确有这种物质构造，被称为吸积盘。土星
的光环就是吸积盘的一个极好样本，不过那些光环是由石头和冰的微粒混合而成，
而黑洞的吸积盘由热气体组成（另一个重要区别是，黑洞周围的吸积盘不断有新的
气体补充进来，而上星的光环只是原初太阳系的遗迹）。气体缓慢地落入黑洞，就
像旋涡中的水，气体在向黑洞下落的过程中，温度越来越高，并发出辐射，发光的
吸积环就成了光源，照亮中心的黑洞。

    图32描绘出一个环绕球形黑洞的圆形盘的轮廓。像是在盘面上方稍稍倾斜的方
向上远距离处拍摄的。黑洞附近时空的强烈弯曲使圆盘的像放大和变形。上星光环
看上去是一系列的椭圆，因为那是在近乎平直的时空里，而这里的像一分为二，主
级像由盘的上表面发射的光线形成，偏转小于180"。第一个意外是，盘的全部上表
面，无论是在黑洞前方还是背后的，包括在平直几何里被"正常地"遮掩的部分，都
能被看到（从地球上看去，土星的环就被部分地遮掩）。

    更惊人的是黑洞周围的时空弯曲使得盘的下表面也能被看到，这就是次级像，
所以，同时观察吸积盘的上、下表面是可能的。

    实际上，像有无数个，因为盘面发射的光可以环绕黑洞运行任意次数，再脱离
其引力场并被远处观察者接收。主级像显示盘的上表面，次级像显示其下表面，三
级像又显示上表面，依此类推。不过高级的像并无实际意义，因为它们已贴近中心
黑盘的边缘，这个黑盘是真实黑洞被放大的像。

    　给黑洞拍"照

    这些照明实验虽然是理想化的，但却至少表明，黑洞如何通过其引力场对辐射
起着某种透镜那样的作用，使单个光源产生多重像。现在来考虑一种更真实的情况
。在过去的20年中，围绕着天体的物质环得到了深入的研究，因为这种结构与大量
的天文现象有关：行星（土星、木星、天王星和海王星），一个子星是致密星（白
矮星、中于星或黑洞）的双星系统。黑洞周围的引力场吸取从伴星溢出的气体，贮
人吸积盘，并慢慢吞噬掉。

    精细的吸积盘模型解释了一些双星系统（如天鹅座X－l）的高能辐射。在大得
多的尺度上，一些星系核心和类星体的高光度也能由物质向黑洞的流入来解释，而
黑洞的质量为几百万到几十亿Mop关于这些天文现象中黑洞作用的详细讨论将是第
四篇的课题。现在只要知道，当单位时间里流入黑洞的物质不是太多时，物质流会
形成一个很薄的吸积盘，盘的辐射可以精确计算出来。

    我在1978年用计算机计算了史瓦西时空中的光线轨迹，给一个由薄吸积盘环绕
的黑洞重拍了一张照片（图对）。由薄盘上的某一点所发出的辐射的强度只依赖于
该点到黑洞的距离，因此这幅重新构造成的图像是普适的，即与黑洞的质量和流人
的气体量都无关。这幅图可以表示直径为10公里的黑洞，也同样可以表示像整个太
阳系那么大并吞噬着星际气体的黑洞。

    像图32一样，上盘面完全可见，但是，下盘面只有一小部分可见。实际的气体
盘是不透明的，因而会吸收所遭遇的光线，于是，显示下盘面的次级像的大部分被
主级像掩盖，高度变形的可见部分靠近黑洞的边缘。

    黑洞与盘的内边缘之间的区域不发出辐射。史瓦西时空的性质不允许吸积盘与
黑洞表面接触。盘中气体近乎圆形的轨道只能保持到3倍于史瓦西半径的距离处为
止，在这个特征距离以内盘是不稳定的，气体粒子直接冲入黑洞，没有时间发出电
磁辐射。

    这张黑洞"照片"的主要特征是盘的各个区域光度之间的明显差异。最靠近视界
的盘内区辐射光度是最强的，因为那里的气体温度最高，但是，盘的表观光度与实
际光度大不相同。除了圆环的几何变形之外，远处照相底板所接收的辐射相对于盘
发出的辐射还发生了频率移动和强度改变。有两种移动效应：一种是已经几次谈到
的爱因斯坦效应，即引力场使频率降低，强度减弱；另一种是更熟悉的多普勒（
DoPPler）效应，由辐射源相对于观测者的运动而造成，源趋近时接收强度增大，
源远去时则减弱（另见第16章）。现在，多普勒效应是由于盘围绕黑洞的转动，盘
的最靠近黑洞的区域转动速度接近光速，因而多普勒效应很强。照片中盘的转动方
向是这样的，在右边物质相对于观测者退行，在左边则是趋近观测者。物质退行时
，多普勒衰减与引力衰减合在一起，使得照片右边很暗弱，而在左边这两个效应相
互抵消，于是得到的像大致与实际光度一致。

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