试图给一个详细而通俗的回答,这个回答的内容或许已超出问题本身,不过希望对大家有所帮助:
引力导致了所有物质之间的普遍吸引。这种情况产生的一个可能结果就是吸积 (accretion)——吸积是一个天体物理学的术语,描述的是一个巨大质量的中心天体从其直接邻域摄取 (accrete)物质的过程。吸积会使中心天体的质量变得更大,从而更好地从其周围摄取物质。
作为更好地了解吸积的第一步,我们可以先从一个更加普遍的问题入手:当物质被中心天体吸引时,可能的结果有哪些?
如果中心天体是一个实体,那么被吸引的物质会直接撞上中心物体表面,比如苹果落到地球表面——地球的固体表面会阻止苹果进一步下落,正因为这个固体表面的屏障作用,我们人类也不会掉进地球的中心。但是,如果这个中心天体是一个黑洞,被吸引的物质就会掉向黑洞的视界,并继续落入黑洞之中。在这两种下落情形中,物质都是笔直掉落的。
但这绝不是唯一的可能性。事实上,这种笔直掉落的情形在宇宙中是比较例外的。通常情况下,物质在足够接近中心天体 (可以产生显著拉力的距离)前,一般都处于运动状态。除非这个运动被精确地指向中心物体 (这是一个特殊情况,因此非常罕见),否则,中心天体周围运动的物质都会有一个侧向运动的分量,如果这个分量足够大,被中心天体吸引过来的物质就不会击中它,而是经过它。
这种经过的情况所产生的可能性结果之一,是物质在进入太空之前,在没有返回轨道的情况下,非常接近中心天体。另一个可能性结果是,这个运动的物质会在一个靠近中心天体的轨道上继续围绕中心天体运动,关于这个结果的众所周知的例子,就是太阳系的行星围绕太阳公转。
还有一个可能性结果,比较复杂,可以在双星系统中看见,这个双星系统包括一个巨星,和一个致密的大质量伴星,由于伴星的质量很大,它产生的地心引力大于旁边的巨星,因而巨星外层的物质会被拉向伴星。然而,来自巨星的物质不会直接落在伴星上,因为这些物质具有足够的侧向运动来形成一个吸积盘。具体图示如下:


图片:左边为巨星,右边为致密的伴星,伴星吸积巨星的物质,形成吸积盘。
角动量和物质在吸积盘中的命运
为什么具有足够的侧向运动的物质,在被中心天体吸引时最终只是经过中心天体,并没有直接撞向中心天体呢?这是角动量守恒的缘故。当物体在引力的影响下围绕中心天体做轨道运动时,力学定律明确地说明:对于轨道物体,它的质量、与中心天体的距离以及它围绕中心天体运动的速度的乘积,必须随着时间的推移保持不变。例如,轨道行星不能突然改变航向,直接朝向太阳运动。如果行星想要直接撞向太阳的话,它的角动量必须突然跳转为0。
对于行星来说,角动量的守恒会导致规则的轨道。在上图的双星系统中,图示的巨星正在缓慢地旋转,它外层区域的物质也同样旋转着,因此,这些旋转着的外层物质的角动量大于0。当这些外层物质粒子受到伴星引力的吸引,朝向伴星运动时,角动量依然是守恒的,因而,会形成吸积盘。
当然,吸积盘的情况明显比轨道行星更加复杂。力学定律规定所有物质粒子的角动量总和不能随时间改变,但是完全允许一个粒子将其部分角动量传递给其他粒子。这被称为角动量传递。例如,一旦发生湍流,这种传递就变得很重要。湍流是动态等离子体和气体 (以及流体)中的自然现象。重新分配角动量最有效的机制涉及等离子体物质,其中不同的粒子通过弱磁场彼此产生影响。最终结果是角动量从吸积盘的内部区域向外部区域重新分布。在此过程中,最内部区域的物质将会向外传递出足够的角动量,最后就会落到中央天体上 (或落入其中)。通过这种方式,越来越多的物质被吸积到中心天体上 (或落入其中)。如果没有角动量转移,这种通过吸积产生的质量增长是不可能发生的。
明亮的吸积盘
宇宙中目前所知的最有效的物质收集器是最致密的天体:黑洞。它们是完美的“时空陷阱”。一旦黑洞吸积其附近的物质,就会将其周围的环境变成宇宙中最亮和最壮观的区域。
黑洞可以通过几种方式照亮所在的宇宙社区。有些方式需要非常特殊的环境,但有一个普遍存在的方式,就是物质落入黑洞时产生热辐射。当物质向黑洞中心运行时,在引力的影响下,它会拥有越来越快的速度,获得越来越多的动能。可是一旦落入物的粒子跳入吸积盘中后,该粒子的运动就会受到干扰。在吸积盘中,由于所有粒子间的经常性碰撞,这些粒子并不存在可以很好定义的简单的轨道。相反的,所有的粒子都处于无序运动中,这种无序运动包含涡流和不稳定性——就像在湍流中一样——而这种运动在吸积盘中则是非常常见的。
根据物理学的定义,无序的微观粒子运动是热运动,并且因此直接与温度相关。随着粒子运动变得无序和混乱,吸积盘中的物质就被加热到非常高的温度。在100倍太阳质量的特大质量黑洞外围的吸积盘中,最高温度约为100万开尔文;而对于恒星质量黑洞周围的吸积盘,其最高温度可以达到前者的100倍。相比之下,太阳中心的温度约为1500万开尔文。——你可以发现恒星质量黑洞周围吸积盘的温度比太阳中心温度要高得多。
在物理学中,只要有热量,就会有热电磁辐射。随着温度增加,以辐射的形式发射的能量也增加。黑洞周围吸积盘的温度足够得高,使得吸积盘中的物质放射出大量的高能X射线。
实际上,黑洞吸积盘产生辐射的效率比核聚变的效率大约高30倍,我们知道,核聚变是负责太阳和其他恒星光度的能量转换机制。到目前为止,没有天文学家拍摄到黑洞周围吸积流的详细图像——因为这需要比目前的望远镜更高的分辨率。然而,天体物理学家有间接的方法来测试他们对这种黑洞附近发生的事情的假设:通过计算机模拟,他们可以预测吸积盘的光谱。这些光谱携带了局部条件的明确印记——强的引力红移指示中心物体的紧凑性,系统多普勒频移则记录下物质在周围盘中以接近光速的速度运动。每当观察显示集中在最内部区域的质量足够高——并且在该特定点没有可见的发光对象时,中心物体就很可能是黑洞。
以上就是有关吸积盘的物理细节。
这个回答是我在网易号上的文章《喂养银河系中心贪婪的特大质量黑洞》节选,更多有关黑洞的信息可以关注我的网易号“一心的未来世界”,我正在持续更新这个系列。谢谢。