黑洞本身不发光。这就是为什么它被称为黑洞。然而,靠近黑洞的物质可以根据黑洞的引力发出光。
黑洞的艺术再现黑洞及其发光的吸积盘。
黑洞是一个引力很强的空间区域,任何东西在此都无法逃脱,甚至是光。有意思的地方在于,光虽没有质量,重力也能影响它。如果引力遵循牛顿万有引力定律,那么万有引力对光确实没有影响。然而,引力遵循一套更为现代的定律,即爱因斯坦广义相对论。根据广义相对论,引力实际上是由空间和时间的弯曲引起的。由于光在直线上穿过直线时空,时空的弯曲使光沿曲线运动。
光路的引力曲率是太过微弱,以至于我们在地球上无法注意到它。然而,当重力非常强时,光的路径弯曲则变得非常明显。黑洞是一个时空如此弯曲的区域,以至于光最终能走的每一条可能的路径都会弯曲并回到黑洞内部。因此,一旦一束光进入黑洞,它就永远无法离开。因此,黑洞是真正的黑色,它从不发光。
然而,这种限制只适用于黑洞内的点。在黑洞附近(不在黑洞内部)的光,肯定可以逃逸到宇宙的其他地方。事实上,正是这种效应使我们能够间接地“看到”黑洞。例如,在我们星系的中心有一个超大质量的黑洞。但如果你把一个高倍望远镜对准我们星系的中心并放大,你什么也看不到。黑洞本身就是黑的。黑洞的引力是如此之强,以致于它附近的几颗恒星都绕着黑洞转。
由于这些恒星实际上位于黑洞之外,所以这些恒星发出的光可以很好地到达地球。当科学家们用高倍望远镜在银河系中心观测了好几年之后,他们看到的是几颗明亮的恒星围绕着同一个空白点旋转。这一结果表明,该地点是一个超大质量黑洞的位置。
另一个例子是,一个巨大的由气体和尘埃组成的云团可以落向黑洞。在没有摩擦的情况下,黑洞的重力只会导致气体粒子绕黑洞旋转而不是掉进去,就像恒星绕黑洞旋转一样(即黑洞不吸入)。然而,这些气体粒子不断地相互碰撞,从而将它们的动能转化为热能。随着动能的损失,气体粒子会更靠近黑洞。通过这种方式,摩擦导致巨大的气体云向黑洞旋转,并在途中升温。
最终,气体云落入黑洞并成为黑洞的一部分。然而,在气体真正进入黑洞之前,它已被加热到足以开始发光,就像烤面包机在加热时会发光一样。发出的光主要由x射线组成,也可以包括可见光。由于这种光是在气体进入黑洞之前由气体发出的,所以光可以逃逸到宇宙的其他地方。这样,即使黑洞本身不发光,光也能从黑洞外发光的气体云中发出。因此,我们可以通过观察黑洞周围发光的气体云间接地“看到”黑洞。这种气体云被称为吸积盘。当气体的原子变得足够热时,原子的电子就会被剥离,导致原子变成离子。大部分电离的气体云称为等离子体。
情况变得更加有趣。随着等离子云越来越靠近黑洞,等离子体运动得越来越快。与此同时,所有这些等离子体的空间越来越小。由于这种高速和拥挤效应,一些等离子体反弹到远离黑洞的地方。这样就形成了两个巨大的发光等离子体喷流,它们被称为天体物理喷流。喷流将等离子体射向远离黑洞的地方,再也不会回来,这同样也可能是因为喷流中的等离子体从未真正进入黑洞。当这些喷射流由超大质量黑洞产生时,它们可以延伸到几十万光年。例如,下图显示了哈勃太空望远镜拍摄到的M87星系的照片。图片左上方亮黄色的点是星系的中心区域,而紫色的线是星系中心特大质量黑洞产生的发光天体物理射流。总而言之,黑洞本身不能发光,但它的强引力可以在黑洞外形成吸积盘和天体物理喷流来发光。
图解:黑洞喷射-哈勃太空望远镜拍摄的黑洞喷射照片。紫色线是由位于M87星系中心的一个超大质量黑洞产生的巨型等离子体射流发出的光。