黑洞

第12部分 (第3/4頁)

部的陰影被許多明亮的光環圍繞著。

對於黑洞的光輪效應，只有較靠外的光環能被看到，而靠近黑洞的光環是不可能分辨出來的。

頭和尾

剛才給出的這些實驗並不只是一種智力測驗，這是因為，如果黑洞確實存在，它們就很有機會被某種自然光源照亮。

對於一個黑洞或一顆行星來說，最顯而易見的照明光源是一顆恆星。比如說，這顆恆星可以和黑洞一起束縛在～個雙星系統裡，但是，儘管這種系統在銀河系裡可能很多，但其中的黑洞是不能由照明效應來探測的，因為由反射光所形成的黑洞像會完全淹沒在恆星自身直接像的強光裡。

從觀測的角度來說，一個有趣得多的情況是，照明光源是圍繞著黑洞的一系列物質環，第四篇裡將論證，許多黑洞周圍確有這種物質構造，被稱為吸積盤。土星的光環就是吸積盤的一個極好樣本，不過那些光環是由石頭和冰的微粒混合而成，而黑洞的吸積盤由熱氣體組成（另一個重要區別是，黑洞周圍的吸積盤不斷有新的氣體補充進來，而上星的光環只是原初太陽系的遺蹟）。氣體緩慢地落入黑洞，就像旋渦中的水，氣體在向黑洞下落的過程中，溫度越來越高，併發出輻射，發光的吸積環就成了光源，照亮中心的黑洞。

圖32描繪出一個環繞球形黑洞的圓形盤的輪廓。像是在盤面上方稍稍傾斜的方向上遠距離處拍攝的。黑洞附近時空的強烈彎曲使圓盤的像放大和變形。上星光環看上去是一系列的橢圓，因為那是在近乎平直的時空裡，而這裡的像一分為二，主級像由盤的上表面發射的光線形成，偏轉小於180”。第一個意外是，盤的全部上表面，無論是在黑洞前方還是背後的，包括在平直幾何裡被“正常地”遮掩的部分，都能被看到（從地球上看去，土星的環就被部分地遮掩）。

更驚人的是黑洞周圍的時空彎曲使得盤的下表面也能被看到，這就是次級像，所以，同時觀察吸積盤的上、下表面是可能的。

實際上，像有無數個，因為盤面發射的光可以環繞黑洞執行任意次數，再脫離其引力場並被遠處觀察者接收。主級像顯示盤的上表面，次級像顯示其下表面，三級像又顯示上表面，依此類推。不過高階的像並無實際意義，因為它們已貼近中心黑盤的邊緣，這個黑盤是真實黑洞被放大的像。

給黑洞拍”照

這些照明實驗雖然是理想化的，但卻至少表明，黑洞如何透過其引力場對輻射起著某種透鏡那樣的作用，使單個光源產生多重像。現在來考慮一種更真實的情況。在過去的20年中，圍繞著天體的物質環得到了深入的研究，因為這種結構與大量的天文現象有關：行星（土星、木星、天王星和海王星），一個子星是緻密星（白矮星、中於星或黑洞）的雙星系統。黑洞周圍的引力場吸取從伴星溢位的氣體，貯人吸積盤，並慢慢吞噬掉。

精細的吸積盤模型解釋了一些雙星系統（如天鵝座X－l）的高能輻射。在大得多的尺度上，一些星系核心和類星體的高光度也能由物質向黑洞的流入來解釋，而黑洞的質量為幾百萬到幾十億Mop關於這些天文現象中黑洞作用的詳細討論將是第四篇的課題。現在只要知道，當單位時間裡流入黑洞的物質不是太多時，物質流會形成一個很薄的吸積盤，盤的輻射可以精確計算出來。

我在1978年用計算機計算了史瓦西時空中的光線軌跡，給一個由薄吸積盤環繞的黑洞重拍了一張照片（圖對）。由薄盤上的某一點所發出的輻射的強度只依賴於該點到黑洞的距離，因此這幅重新構造成的影象是普適的，即與黑洞的質量和流人的氣體量都無關。這幅圖可以表示直徑為10公里的黑洞，也同樣可以表示像整個太陽系那麼大併吞噬著星際氣體的黑洞。

像圖32一樣，上盤面完全可見，但是，下盤面只有一小部分可見。實際的氣體盤是不透明的，因而會吸收所遭遇的光線，於是，顯示下盤面的次級像的大部分被主級像掩蓋，高度變形的可見部分靠近黑洞的邊緣。

黑洞與盤的內邊緣之間的區域不發出輻射。史瓦西時空的性質不允許吸積盤與黑洞表面接觸。盤中氣體近乎圓形的軌道只能保持到3倍於史瓦西半徑的距離處為止，在這個特徵距離以內盤是不穩定的，氣體粒子直接衝入黑洞，沒有時間發出電磁輻射。

這張黑洞“照片”的主要特徵是盤的各個區域光度之間的明顯差異。最靠近視界的盤內區輻射光度是最強的，因為那裡的氣體溫度最高，但是，盤的表觀光度與實際光度大不相同。除了圓環的幾何變形之外，遠處