发一篇10000个科学难题(物理卷)中的文章,遗憾的是,文章中的图1-3不能显示.

黑洞转动能量的提取

Extraction of rotating energy from a black hole

黑洞是爱因斯坦广义相对论最令人吃惊的预言之一。物质在强大的引力作用下，被压缩到极度弯曲的空间中，甚至连光也无法逃逸出来，这个极度弯曲的时空区域称为黑洞(black hole)。黑洞最重要的特征是存在一个时空分界面，即所谓视界面。视界面把黑洞内部与外部世界分开，任何物质(包括光)都不能通过视界面从黑洞内部逃出。1974年Hawking利用弯曲时空量子场论证明:黑洞可以进行量子蒸发！由于Hawking蒸发的时标与黑洞质量的3次方成正比，这个效应只对质量比太阳质量小10¹⁸倍的原初黑洞有意义，而对质量至少为3个太阳质量以上的天体物理黑洞并不重要。

黑洞中最具有天体物理意义的是Kerr黑洞，它具有质量和角动量两个特性，即Kerr黑洞是旋转的，在它的视界面和无限红移面(静限)之间有一个能层，如图1所示。

图1  Kerr黑洞的能层位于视界面和静限之间

理论上从一个极端Kerr黑洞的能层中可提取能量占黑洞总质能的29%，因此Kerr黑洞是一个巨大能库。1969年Penrose首先提出从Kerr黑洞的能层提取旋转能量的想法。设想一个能量为E_in的粒子由无穷远进入黑洞。仔细地选择粒子的轨道，使其穿过静限，然后让粒子分裂为两部分：一部分进入负能轨道并落入黑洞,其能量为，另一部分返回到无穷远, 其能量为E_out。能量守恒要求，即导致。结果由于黑洞失去了一些静止质量而导致无穷远处有能量的净增。当逆行负能粒子被黑洞俘获时，就有能量从旋转黑洞中被提取出来，这就是Penrose过程^[3]。Penrose 过程揭示了从旋转黑洞中提取能量的可能性，具有重大的理论意义。1972年Bardeen等人证明能层中粒子破裂成两部分的条件是两个粒子的相对速度至少要达到光速的一半^[4]。很难想象天体物理过程能使粒子产生如此巨大的相对速度。

1977年Blandford和Znajek提出^[5]，Penrose过程可以通过黑洞吸积盘系统中的大尺度磁场实现，这一能量机制简称BZ过程。BZ过程最初是采用严格的广义相对论来表述的，后来Macdonald和Thorne等人在天体物理学家比较熟悉的等效”3维空间+1维时间”的框架中来表述BZ过程^[6]。在BZ过程中大尺度磁场由吸积盘的电流产生，并冻结在理想导电的吸积等离子体中。在吸积过程中磁场被等离子体带入黑洞视界面，并由吸积盘的磁场通过磁压平衡维持，如图2所示。

图2  围绕黑洞的磁化吸积盘^[6]

吸积过程中磁通量守恒保证磁力线不能逃逸，吸积盘内区的磁压使得这些与等离子体脱离因果联系的磁力线受到向内的挤压，并被迫穿过黑洞。在稳定的轴对称条件下，黑洞视界面和吸积盘内区的磁场位形如图3所示。

BZ过程的提能原理可以采用等效电路描述。^[2,6]由于磁力线的角速度滞后于Kerr黑洞的旋转角速度，二者的相对运动导致在紧邻黑洞视界面的导电薄层中形成等效电流，大尺度磁场对这个导电薄层中的感应电流的作用力矩总是阻碍黑洞的旋转的。这很像一个导体球在磁场中运动形成的发电机：旋转黑洞形成一个电动势，磁力线旋转所形成的磁面连接黑洞与天体物理负载构成等效电路。Kerr黑洞的转动能量通过大尺度磁场以Poynting能流的形式传递出到遥远的天体物理负载，另一部分能量耗散在黑洞视界面导致黑洞熵增加。

图3  由磁力线形成的旋转磁面，两个相邻磁面形成环形磁通管，磁通管内外面
的磁通量分别为Y和Y + DY^[6]

BZ过程为不同尺度的黑洞系统提供了一种可能的喷流产生机制。它具有以下几个特点：①大尺度磁场可以对喷流进行准直；②电磁喷流十分“清洁”，不存在所谓“重子污染”问题，因此可以解释高达几百Lorentz因子的相对论外流；③电磁喷流是“高效”的，能有效地通过电流不稳定性耗散，而且电磁能量的耗散过程本身就是间歇性的，很容易解释伽马暴的快速光变。正是由于这些优点，BZ过程被广泛用来解释活动星系核、类星体和微类星体的喷流，并认为是驱动伽马射线暴的中心发动机^[7~9]。

虽然BZ过程在解释黑洞系统的喷流方面取得了一定的成功，这个能量机制还没有在学术界取得共识。除了涉及理论本身的自洽性之外，BZ过程需要借助一定强度的大尺度磁场来驱动喷流。解释活动星系核的喷流功率要求磁场达到10⁴G，解释伽马射线暴的能量来源要求磁场达到10¹⁵G。如此强大的有序磁场是否存在，又如何起源? 另外喷流是如何准直的？喷流中的高能粒子是如何加速的？这些问题对于各种喷流模型都是严峻的挑战，需要把理论模型与天文观测结合起来作进一步深入研究。

参 考 文 献

    [1]       Hawking S W, Nature, 1974, 248: 30.

    [2]       Thorne K S, Price R H, Macdonald D A. Black holes: The membrane paradigm. New Haven1: Yale Univ. Press, 1986.

    [3]       Penrose R. Riv Nuovo Cim. 1969, 1: 252.

    [4]       Bardeen J M, Press Teukolsky W H S A. ApJ, 1972, 178: 347.

    [5]       Blandford R D, Znajek R L. MNRAS, 1977, 179: 433.

    [6]       Macdonald D, Thorne K S. MNRAS, 1982, 198: 345.

    [7]       Belgelman M C, Blandford R D. Rees M J. Rev Mod Phys, 1984, 56: 256.

    [8]       Mirabel I F, Rodriguez L F. Nature, 1994, 371: 46.

    [9]       Lee H K, Wijers R A M J, Brown G E. Phys Rep, 2000, 325: 83.

撰稿人：汪定雄

华中科技大学 物理学院