黑洞邊緣的秘密

黑洞也能成為明亮的輻射源。在吸積周圍物質的過程中，當吸積盤中的氣體盤旋著掉入黑洞時會釋放出大量的引力能。最新的研究顯示這些輻射為我們認識黑洞邊緣的秘密提供了一條途徑。

黑洞的輻射主要來自吸積盤的熱輻射。其中的冪律硬X射線是來自吸積盤的光子和吸積盤冕中熱電子互相作用的結果。這一光譜已經在恆星質量黑洞中被發現。同時在星系核心的超大質量黑洞中也發現了類似的現象。但是，超大質量黑洞周圍吸積盤的溫度比恆星質量黑洞旁吸積盤的溫度低。

另一個特點就是，在塞弗特星系的光譜中發現了盤冕輻射的鐵發射線。其最簡單的形式是6.4keV的鐵發射線。但由於多普勒效應、相對論噴流和引力紅移，相應的譜線會發生偏移。其中引力紅移是輻射物質在黑洞周圍的引力勢阱中高速運動所造成的。這一譜線的形狀最初被用來描述一個恆星質量黑洞天鵝X-1（見圖1）的光譜，但是卻在塞弗特星系MCG-6-30-15中首先被發現。

[圖片說明]圖1：黑洞天鵝X-1的想像畫。

直到最近，所掌握的有關恆星質量黑洞相關發射線的證據仍十分有限。恆星質量黑洞比起遙遠的塞弗特星系中的超大質量黑洞要亮的多。但是，如果吸積盤是高度電離的，那麼就很難發現鐵的發射線了。然而，現在錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory）和XMM-Newton衛星已經在天鵝X-1和其他恆星質量黑洞中找到了這些譜線的證據。

對於X射線衛星（例如，BeppoSAX）數據的重新分析發現了這些鐵發射線的進一步證據。先前這些譜線大多數被認為是連續譜發射中的中斷，或者被認為是由於輻射源過亮所造成的探測器故障。當然也有可能是我們錯了。畢竟恆星質量黑洞光譜和塞弗特星系光譜的相似性看上去有些牽強。

特別令人感興趣的是這些譜線的低能區域，例如，天鵝X-1和XTE J1650-500的光譜（見圖2）。這些譜線預示了極強的引力紅移，只有輻射物質在極靠近黑洞視界的情況下才能產生這些譜線。

[圖片說明]圖2：恆星質量黑洞中的鐵發射線。紅色表示XTE J1650-500的光譜和黑體譜的比值。藍色表示天鵝X-1的。

這些鐵的譜線是來自黑洞邊緣最直接的信息。這些天體在X射線波段的准周期振蕩與軌道運動和黑洞邊緣緊密相關。但是，現在還不清楚准周期振蕩的調節機制，以及為什麼無法觀測到連續的高頻准周期振蕩。因此准周期振蕩無法作為一種有效的探測手段。

鐵發射線的形狀可以用來確定吸積盤的內半徑和輻射輪廓。有時能譜中的峰值也預示了另一個能量源，例如旋轉黑洞所釋放的能量。

雖然旋轉黑洞已經被廣泛接受，但是證明他們自轉的證據才剛剛出現。對於一些黑洞而言，從鐵發射線判斷的吸積盤內半徑已經接近一個非旋轉黑洞的邊緣。這一軌道與旋轉黑洞的穩定軌道很接近。但是高速旋轉黑洞會伴隨強射電輻射的假說還沒有得到證實。

另一個決定鐵發射線形狀的因素是吸積盤的傾角。當吸積盤的邊緣與視線相平時，多普勒效應會大大增強，尤其是高能部分。有理由相信吸積盤的傾角與雙星軌道的傾角相同。事實上觀測也證實了這一點。

鐵發射線是研究恆星質量黑洞周圍物質環境的強有力工具，可以用來研究強大的引力場、黑洞的自轉以及吸積和噴流模型。錢德拉X射線天文台和XMM-Newton衛星以及羅希X射線時變探測器（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）的聯合觀測將會使我們對恆星質量黑洞有更進一步的認識。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！