黑洞旋轉能量的電磁提取及其在天體物理中的應用

龔景

摘 要：主要研究重點集中在黑洞旋轉能量的提取機制上，分別是BZ過程和MC過程，同時討論了關于兩種機制的共存要點及應用在天體物理中的重點。所有的研究重點主要分為2大方面：①改進電路的方式，推導出BZ過程和MC過程的功率；②研究統一模式的天體應用價值，涉及的內容是關于噴流功率及高頻準周期的震蕩擬合狀況。研究中發現，黑洞主要的限制條件是吸積盤，其轉動的頻率域和黑洞的自轉轉速不是無限大，是被限制在固定空間內，給黑洞自轉提供可能性。

關鍵詞：黑洞旋轉；電磁提取；天體物理；BZ過程

中圖分類號：P145.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.084

關于黑洞的研究來源于1783年，開始提出黑洞的是英國的Michell，以牛頓的力學定律為主要的推導要點，推導出極限模型。推導過程中，綜合了微粒學和牛頓的引力定律，預言在宇宙中存在著在一類臨界半徑內，即使表面有光子都不能逃逸出的暗星物質。這里說的“暗黑物質”就是黑洞的原型。20世紀，隨著哈勃望遠鏡的出現，天文觀測手段突飛猛進，關于黑洞的研究越來越多。直到今天，黑洞的研究已經是多領域交叉學科的典范研究案例，更是目前科學研究的熱點。

1 磁場提取黑洞旋轉機能

1.1 BZ過程

BZ過程是在1977年Blandford和Znajek為了解釋類星體和活動星體的高能輻射和噴流狀況，提出的一項能量運動機制。該機制主要是假設黑洞與天氣物理的負載連接方式是磁力線。黑洞不斷地旋轉，那么磁力線也要不斷地扭動，導致旋轉的黑洞在遙遠的天體負載上產生力的距離。借助于波印亭和角動量把黑洞從磁層內轉移出來，并且將其放到天體的物理負載上。

1982年，這一理念有新的發展，通過“3+1”的方式重新描述出BZ過程，即“三維空間+一維時間”。這一理論實際主要是將原來思維空間下的黑洞看成是三維空間下的導電球形膜。

如果從簡化線路的角度考慮問題，即將連接到黑洞的各類磁層劃分成無限個小的磁層。劃分時，各個磁面相鄰，有磁層就會產生磁電，因而各個相鄰磁層之間會形成小的回路。每一個小磁層中，電流都要沿著磁的同面流動，所以等磁面就是傳輸能量及角動面的載體。相鄰的磁路分布連接著兩端，一端連接黑洞，另一端連接載體。這里，磁路不再是單純的電路傳導機構，而成為連接兩方的回路導線。

1.2 MC過程

BZ的主要貢獻集中在研究類星體和活動星體上，部分研究者還開展了在BZ的基礎上關于吸盤黑洞演化情況的研究。長期以來，由于人們關注的重點都沒有集中在黑洞連接和周邊吸盤閉合磁力線提取上，目前有科學研究人員提出，黑洞周邊存在閉合磁力線，黑洞的旋轉一定會加大吸盤的力距，最終的結果是能量和角動量上的力轉移到黑洞吸盤上，力的發散是借助于盤輻射，因而這種黑洞旋轉機能被稱為磁耦合過程，簡稱為“MC”過程。

連接黑洞和天體負載的主要紐帶是BZ過程中產生的磁力線，黑洞中的能量提取依靠磁層，然后這些能量在天體負載處被釋放出去。距離黑洞最近的部分是吸積盤，所以吸積盤理論的提出要比天氣負載容易一些。目前，黑洞磁場的主要維系系統是吸積盤，所以磁層要連接吸積盤。但是，黑洞要不斷地旋轉，吸積盤雖然與黑洞較近，畢竟不是連為一體的，所以二者在轉動時角速度會不同——如果吸積盤的角速度慢于黑洞的角速度，磁層內的能量都會傳遞到角動量層上。因而，MC和BZ這兩者在本質上沒有區別。如果仔細探究，能發現MC的過程就是BZ的簡單版。

2 統一模型檢測黑洞自傳參數

2.1 噴流加速模型

噴流主要存在于黑洞系統內，其中主要的特征有三，即相對論、準直和高強度。為了更好地詮釋這種高能物理，我國很多學者提出噴流模型，具有代表性的噴流模型是BZ、BP和輻射壓厚盤。

黑洞的動能需要快速旋轉。這是黑洞存在的必然條件，通過動能才能讓黑洞形態不消逝，因而快速旋轉中需要依靠磁場的力量將加速噴流提取出來。任何一個黑洞都能運用3個參量來描述，分別是質量、角動量和帶電量。帶電電子黑洞能夠產生磁場，也會迅速地中性化周邊的等離子，因而黑洞本身不帶電。不帶電的黑洞自身是不能夠產生磁場的。這時，就對“帶電電子磁場的出現”提出了質疑。其實，黑洞轉動的主要能量都來源于黑洞周邊的吸積盤。

2.2 準周期震蕩模型

當前，關于QPO的起源，理論界還沒有明確的答復，其解釋也多種多樣，但是需要了解的是，這些模型都有一個共同的特點——QPO的頻率主要是依靠吸積流的特征半徑，主要是內穩定圓軌道相對應的半徑。如果該半徑單獨存在，則無足輕重，但是存在于盤振模型中就顯得非常重要。黑洞的視界面磁場具有非軸對稱性，通常，MC將黑洞的視界面能量全部轉化到吸積盤上。借助于想象，如果MC過程中非軸對稱磁場將上面的黑洞能量轉化，那么所有的能量都要轉化到吸積盤上，能量集中部分就會形成亮點。由于集聚的能量高速運轉，所以產生熱量或者摩擦出電子，看似比其他位置亮一些，外在表現形式就是盤內形成一個比較亮的熱斑點。這個熱斑會伴隨著黑洞旋轉，觀察者此刻就能看到一個準周期性的光變。這種現象被解釋為“HFQPO”。

3 結束語

天體物理主要是結合天文與物流知識，整體研究領域很寬泛，設計的內容也比較多，例如流體力學、吸積盤理論、天體物理輻射等相關內容，并且該理論的使用對廣義相對論研究有著重要意義。目前，天體物理學的研究新領域是運用黑洞吸積盤理論解釋有關高能天體物理狀況。這是國內外天文學研究的新方向。本文重點研究了黑洞吸積盤的能量提取，即BZMC模式，同時討論了這一模式的應用要點。本文提及磁場提能的兩種共存機制，并展望了這兩種機制的共存要點，在改進等效電路模式的前提下，推導出統一模型的功率及其力矩的表達要點。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕