黑洞旋转能量的电磁提取及其在天体物理中的应用

龚景

摘 要：主要研究重点集中在黑洞旋转能量的提取机制上，分别是BZ过程和MC过程，同时讨论了关于两种机制的共存要点及应用在天体物理中的重点。所有的研究重点主要分为2大方面：①改进电路的方式，推导出BZ过程和MC过程的功率；②研究统一模式的天体应用价值，涉及的内容是关于喷流功率及高频准周期的震荡拟合状况。研究中发现，黑洞主要的限制条件是吸积盘，其转动的频率域和黑洞的自转转速不是无限大，是被限制在固定空间内，给黑洞自转提供可能性。

关键词：黑洞旋转；电磁提取；天体物理；BZ过程

中图分类号：P145.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.084

关于黑洞的研究来源于1783年，开始提出黑洞的是英国的Michell，以牛顿的力学定律为主要的推导要点，推导出极限模型。推导过程中，综合了微粒学和牛顿的引力定律，预言在宇宙中存在着在一类临界半径内，即使表面有光子都不能逃逸出的暗星物质。这里说的“暗黑物质”就是黑洞的原型。20世纪，随着哈勃望远镜的出现，天文观测手段突飞猛进，关于黑洞的研究越来越多。直到今天，黑洞的研究已经是多领域交叉学科的典范研究案例，更是目前科学研究的热点。

1 磁场提取黑洞旋转机能

1.1 BZ过程

BZ过程是在1977年Blandford和Znajek为了解释类星体和活动星体的高能辐射和喷流状况，提出的一项能量运动机制。该机制主要是假设黑洞与天气物理的负载连接方式是磁力线。黑洞不断地旋转，那么磁力线也要不断地扭动，导致旋转的黑洞在遥远的天体负载上产生力的距离。借助于波印亭和角动量把黑洞从磁层内转移出来，并且将其放到天体的物理负载上。

1982年，这一理念有新的发展，通过“3+1”的方式重新描述出BZ过程，即“三维空间+一维时间”。这一理论实际主要是将原来思维空间下的黑洞看成是三维空间下的导电球形膜。

如果从简化线路的角度考虑问题，即将连接到黑洞的各类磁层划分成无限个小的磁层。划分时，各个磁面相邻，有磁层就会产生磁电，因而各个相邻磁层之间会形成小的回路。每一个小磁层中，电流都要沿着磁的同面流动，所以等磁面就是传输能量及角动面的载体。相邻的磁路分布连接着两端，一端连接黑洞，另一端连接载体。这里，磁路不再是单纯的电路传导机构，而成为连接两方的回路导线。

1.2 MC过程

BZ的主要贡献集中在研究类星体和活动星体上，部分研究者还开展了在BZ的基础上关于吸盘黑洞演化情况的研究。长期以来，由于人们关注的重点都没有集中在黑洞连接和周边吸盘闭合磁力线提取上，目前有科学研究人员提出，黑洞周边存在闭合磁力线，黑洞的旋转一定会加大吸盘的力距，最终的结果是能量和角动量上的力转移到黑洞吸盘上，力的发散是借助于盘辐射，因而这种黑洞旋转机能被称为磁耦合过程，简称为“MC”过程。

连接黑洞和天体负载的主要纽带是BZ过程中产生的磁力线，黑洞中的能量提取依靠磁层，然后这些能量在天体负载处被释放出去。距离黑洞最近的部分是吸积盘，所以吸积盘理论的提出要比天气负载容易一些。目前，黑洞磁场的主要维系系统是吸积盘，所以磁层要连接吸积盘。但是，黑洞要不断地旋转，吸积盘虽然与黑洞较近，毕竟不是连为一体的，所以二者在转动时角速度会不同——如果吸积盘的角速度慢于黑洞的角速度，磁层内的能量都会传递到角动量层上。因而，MC和BZ这两者在本质上没有区别。如果仔细探究，能发现MC的过程就是BZ的简单版。

2 统一模型检测黑洞自传参数

2.1 喷流加速模型

喷流主要存在于黑洞系统内，其中主要的特征有三，即相对论、准直和高强度。为了更好地诠释这种高能物理，我国很多学者提出喷流模型，具有代表性的喷流模型是BZ、BP和辐射压厚盘。

黑洞的动能需要快速旋转。这是黑洞存在的必然条件，通过动能才能让黑洞形态不消逝，因而快速旋转中需要依靠磁场的力量将加速喷流提取出来。任何一个黑洞都能运用3个参量来描述，分别是质量、角动量和带电量。带电电子黑洞能够产生磁场，也会迅速地中性化周边的等离子，因而黑洞本身不带电。不带电的黑洞自身是不能够产生磁场的。这时，就对“带电电子磁场的出现”提出了质疑。其实，黑洞转动的主要能量都来源于黑洞周边的吸积盘。

2.2 准周期震荡模型

当前，关于QPO的起源，理论界还没有明确的答复，其解释也多种多样，但是需要了解的是，这些模型都有一个共同的特点——QPO的频率主要是依靠吸积流的特征半径，主要是内稳定圆轨道相对应的半径。如果该半径单独存在，则无足轻重，但是存在于盘振模型中就显得非常重要。黑洞的视界面磁场具有非轴对称性，通常，MC将黑洞的视界面能量全部转化到吸积盘上。借助于想象，如果MC过程中非轴对称磁场将上面的黑洞能量转化，那么所有的能量都要转化到吸积盘上，能量集中部分就会形成亮点。由于集聚的能量高速运转，所以产生热量或者摩擦出电子，看似比其他位置亮一些，外在表现形式就是盘内形成一个比较亮的热斑点。这个热斑会伴随着黑洞旋转，观察者此刻就能看到一个准周期性的光变。这种现象被解释为“HFQPO”。

3 结束语

天体物理主要是结合天文与物流知识，整体研究领域很宽泛，设计的内容也比较多，例如流体力学、吸积盘理论、天体物理辐射等相关内容，并且该理论的使用对广义相对论研究有着重要意义。目前，天体物理学的研究新领域是运用黑洞吸积盘理论解释有关高能天体物理状况。这是国内外天文学研究的新方向。本文重点研究了黑洞吸积盘的能量提取，即BZMC模式，同时讨论了这一模式的应用要点。本文提及磁场提能的两种共存机制，并展望了这两种机制的共存要点，在改进等效电路模式的前提下，推导出统一模型的功率及其力矩的表达要点。

参考文献

[1]刘冬梅，李洋，方立铭，等.开放型大尺度磁场对黑洞吸积盘过渡区能量的提取[J].安徽大学学报（自然科学版），2009（01）：88-90.

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〔编辑：刘晓芳〕