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吸积

吸积accretion是指致密天体由引力俘获周围物质的过程。吸积过程广泛存在于恒星形成、星周盘、行星形成、双星系统、活动星系核、伽玛射线暴等过程中。

如果被吸积的物质相对于中心天体没有足够的角动量,物质将沿径向流向中心天体,形成球对称吸积。但是,一般来说,被吸积物质具有较大的角动量,它们不会沿径向直接落到中心天体上,而是围绕中心天体旋转,形成一个作较差旋转的盘状物,称为吸积盘。盘的内边缘处的物质沿着螺旋轨道落向中心天体。吸积过程中要释放大量能量。这一过程常伴有抛射现象,如喷流。致密天体有着很强的引力场,吸积非常重要。致密天体的吸积是最有效的释放能量的方式,其效率甚至比核反应还高。吸积理论在天体物理中有着广泛的应用。X射线密近双星、激变变星、活动星系核的许多观测现象都需要用吸积盘模型来解释。

宇宙中有两类吸积是重要的。第一类是小颗粒互相碰撞并粘在一起以形成较大物体的过程。碰撞必须“恰到好处”才能发生这种情形如果碰撞过于猛烈,就会击碎物体(撕裂)而不是让它们粘在一起。当太阳从空间一个气体尘埃云中诞生,并在自身引力作用下坍缩时,年轻太阳周围形成了一个向赤道平面沉降的物质盘。这很像我们今天看到的土星环在更大规模上的翻版。太阳系中的行星和其他天体,就是在这个开始时有大小不超过1毫米的细小颗粒构成的旋转物质盘中,通过吸积而形成的。

第二类吸积是大质量天体通过其引力场的吸积从周围获取物质的过程。像我们太阳这样的普通恒星就在不断地从星际空间吸积物质,不过规模很小。拥有较强引力场的天体,如中子星和黑洞,其吸积要强烈得多。于是,向天体跌落的物质(多半来自双星系统中的邻近伴星)形成一个吸积盘。因为物质在引力场中降落时获得能量,盘中的原子又互相碰撞,所以原子的温度可以变得很高,以致能辐射X射线。以极大规模在一些包含数百万倍太阳质量的黑洞的星系的中心发生的这类过程,有可能提供类星体的能源。

宇宙中有两类吸积是重要的。

第一类是小颗粒相互碰撞并粘在一起以形成较大物体的过程。碰撞必须恰到好处才能发生这种情形如果碰撞过于猛烈,就会击碎物体而不是让它们粘在一起。当太阳从空间一个气体尘埃云中诞生,并在自身引力作用下坍塌时,年轻太阳周围形成了一个向赤道平面沉降的物质盘。这很像我们今天看到的土星环在更大规模上的翻版。太阳系中的行星和其他天体,就是在这个开始时由大小不超过1毫米的细小颗粒构成的旋转物质盘中,通过吸积而形成的。

第二类吸积是大质量天体通过其引力场的吸引从周围获取物质的过程。像太阳这样的普通恒星就在不断地从星际空间吸收物质,不过规模很小。拥有较强引力场的天体,如中子星和黑洞,其吸积要强烈的多。于是,向天体跌落的物质(多半来自双星系统中的临近伴星)形成一个吸积盘。因为物质在引力场中降落时获得能量,盘中的原子又互相碰撞,所以原子的温度可以变的很高,以致能辐射X射线。以极大规模在一些包含数百万倍太阳质量的黑洞的星系中心发生这类过程,有可能提供类星体的能源。

球对称吸积

球对称吸积是一种最简单的吸积过程。假设在密度为ρ、温度为T的均匀、静止介质中,存在一个静止的、质量为M的中心天体,介质粒子的质量为m,动能为kBT,以中心天体为中心定义吸积半径Ra:

其中cs为等温声速。位于吸积半径处的粒子动能与引力势能之和为零,吸积半径以内的粒子热运动不足以克服引力作用而被中心天体吸积,位于吸积半径以外的粒子不会被吸积。在介质的扩散作用影响下,中心天体的吸积率约为,吸积物质的总角动量为零。

点质量的物体在密度均匀、温度不太高的介质中运动的吸积过程称为邦迪-霍伊尔-利特尔顿吸积(Bondi-Hoyle-Lyttleton Accretion),或者邦迪吸积。如果中心天体相对于介质以速度V运动,粒子的动能近似为,此时的吸积半径称为邦迪吸积半径:

天体的运动速度一般远高于介质的声速,扩散作用可以忽略,吸积率约为,如果吸积物质没有严格的柱对称性,则总角动量不为零,可以形成吸积盘。

轴对称吸积如果吸积物质带有足够高的角动量,则有可能形成吸积盘。吸积物质流的角动量损失一般很慢,而能量不断耗散,最终位于角动量一定的情况下能量最小的轨道,即圆轨道上,并且几乎以开普勒速度绕中心天体旋转。该轨道的半径称为圆化半径:

其中l是单位质量的吸积物质具有的角动量。吸积盘形成的必要条件是天体的半径远远小于圆化半径,否则吸积物质流会直接落入天体表面,不能形成吸积盘。

吸积盘(accretion disk),环绕一颗恒星或其他天体的物质环,环中物质回旋降落到盘内的天体上。

吸积物质在致密天体周围形成的盘状物。对于没有磁场的致密星,或者在远离强磁场的区域,吸积运动主要由致密星的引力场控制。这时,如果吸积物质没有足够的角动量,则入射流是径向的,形成球对称的吸积。如果吸积物质具有较大的角动量,它们就不会沿径向轨道直接落到致密星上,而是围绕致密星运动,形成一个绕致密星做角差旋转的盘状物,称为吸积盘。吸积盘上的物质,受粘滞性的影响,是沿着螺旋轨道向星体表面旋进的。在星体表面附近,物质密度增加很快,并向外释放能量。吸积盘的具体性质取决于致密星的具体情况,以及吸积物质的原始物理特性。目前,有关X射线密近双星的能源机制等问题,多采用吸积盘模型来解释。

科学家对吸积盘的观察报道

据美国科学日报报道,一组国际研究小组首次观测到黑洞周围存在吸积盘,并验证了之前天文学家们长期预言的吸积盘真实电磁光谱特性。

黑洞和其明亮的吸积盘被认为可以形成类星体(quasar),它在一些遥远星系中心释放强光。研究小组使用偏振滤光镜将吸积盘释放的光线进行了隔离,吸积盘是由黑洞邻近其他物质形成的。该研究小组成员包括美国加州大学圣芭芭拉分校物理学教授罗伯特?安东努西和欧麦?布莱耶斯。安东努西说,“这项研究工作是令人信服地解释类星体的强有力证据。”

类星体是遥远星系灿烂明亮的内核,位于特大质量黑洞的中心位置,可以形成比太阳明亮1万亿倍的光亮。类星体可能是由星际气体加燃的强大能量来源,星际气体被认为是从周围的吸积盘中吸入黑洞之中。这项最新研究证实了一项长期以来的预测——吸积盘喷射着强烈的发光辐射线。

安东努西指出,天文学家发现许多应用于解释类星体能量来源和光线形成的物理过程都伴随着一些宇宙物质落入超大质量黑洞和在吸积盘周围盘旋,就如同形成黑洞表面(event horizon)的方法一样,黑洞表面是一个球形平面,标志着黑洞的界线。在这一进程中,摩擦力使宇宙物质加热形成所有波长的光谱,其中包括:红外线、可见光和紫外线。最后,这些宇宙物质落入黑洞,从而增加了黑洞的质量。他说,“如果这是真实的,我们可以预测类星体电磁光谱应当进行的物理规则。”但是目前测试这项预测是不可能的,其原因是天文学家不能区分吸积盘散发的光线和黑洞地区灰尘粒子、电离气体云之间的差别。

通过在夏威夷岛莫纳克亚山的英国红外线望远镜(UKIRT)上添加一个偏振滤光镜,研究小组负责人马科托?基什莫托对这些外来的光线进行了评估,并测量了吸积盘的光谱。结果表明其光谱与之前的预测相匹配吻合。研究人员同时使用了从欧洲宇航局甚大望远镜偏振分析器获得的更广泛数据资料。据悉,基什莫托是马克斯-普兰克无线电天文学协会天文学家,也是加州大学圣芭芭拉分校博士后。

偏振滤光镜分析显示,事实上直接光线并没有出现偏振,它并没有在其电场上进行方向排列选择。吸积盘散发直接光线,就如同释放灰尘微粒和电离气体一样。但是,从吸积盘释放少量光线,正是研究人员所期望研究的这种光线,受到离黑洞非常近的气体反射,从而发生了偏振。

安东努西说,“因此我们的研究计划仅针对于偏振光线,就好像这儿并不存在其他的光线,我们能够看到吸积盘所释放的真实光谱。在此基础上,我们能够更好地理解黑洞是如何消耗吞噬物质和进行膨胀扩大。”

安东努西称,通过像类星体这样发光物体的光谱研究分析,可以获得关于特征和进程的大量难以置信的珍贵信息资料。我们对吸积盘物理进程的了解仍十分有限,但目前至少我们确信对此已有全面的认识。


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