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类星体，小天体里的大能量
射电望远镜能够观测到的大多数天体是巨大的气体云，它们比恒星大得多。但在20世纪60年代早期，人们通过射电望远镜发现了几个很小的天体。天文学家称这些天体为“类星体”（quasar），意为“类似恒星的射电源”（quasi-stellar radio source）。
1962年，加州理工学院的天文学家马丁·施密特（Maarten Schmidt）在帕洛玛山（Palomar Mountain）上，利用当时世界上最大的光学望远镜，观测到了编号为3C 273的类星体发出的光。这个天体看上去像一颗明亮的恒星，但有暗弱的喷流从中喷出（见图8-1）。这在当时让他感到很奇怪。
图8-1 上方：由美国宇航局哈勃望远镜拍摄的类星体3C 273的照片。恒星（左上角）原本很小，我们甚至无法测量其尺寸。在图中，它看起来这么大是因为被过度曝光了，这样我们才能看见暗弱的喷流（右下角）。下方：马丁·施密特得到的类星体3C 273的光谱与地球实验室里拍摄到的氢原子的光谱比较。类星体的3条谱线和氢原子的Hβ、Hγ以及Hδ线一致，只是波长增加了16%（光谱的图像记录在负片上：黑色的线实际上非常亮）
当施密特将类星体3C 273的光分为不同颜色时（就像有时光线穿过棱镜后分为不同颜色的情况），他看到了图8-1下方展示的那一系列谱线。第一眼望过去，这些谱线和他以前见过的完全不一样。但是到1963年2月，在经过了几个月的冥思苦想后，他意识到这些谱线之所以看起来陌生，仅仅是因为它们的波长比正常情况大了16%。这被称作“多普勒频移”（Doppler shift），是类星体以c/6——约16%的光速离开地球所导致的。是什么造成了类星体极快的运动？施密特所能想到的唯一可能性就是宇宙的膨胀。
随着宇宙的日益膨胀，离地球较远的天体以非常快的退行速度离我们而去，而离我们较近的天体的退行速度则比较慢。类星体3C 273的退行速度极大，能达到光速的1/6，这意味着类星体3C 273离地球有20亿光年之遥，几乎是当时所能观测到的最远天体。通过它的亮度和距离，施密特推算出类星体3C 273光芒中蕴含的能量比太阳强4万亿倍，比最亮的星系还要亮100倍！
另外，这一惊人能量的波动时标可以缩短至一个月，这意味着光线耗时一月就能穿越这个天体，也说明大部分光由一个非常小的天体发出。这个天体的尺寸比地球到离自身最近的恒星——半人马座比邻星的距离要小得多。另一些类星体的能量与此类似，但能量的波动时标只有几个小时。这说明它们不会比太阳系大太多。比最亮的星系能量强100倍的能量来自一个与太阳系同等大小的区域，这真是太惊人了！
能量发动机——黑洞与吸积盘
这么小的区域怎么能释放出如此大的能量？如果我们想想自然界的基本力，那么就会发现只有3种可能性：化学能、核能或者引力能。
化学能是分子合成新的分子时释放出的能量。汽油的燃烧就是一个例子，这一原理是：空气中的氧分子和汽油分子结合形成了水和二氧化碳，同时产生了大量的热，但这种能量比类星体需要的小得多得多。
核能来自原子核合并生成新原子核的过程，比如原子弹、氢弹以及恒星核心的核燃烧。这种能量虽然比化学能强大得多（想象一下原子弹和汽油起火的差别），但是天体物理学家们找不到任何可能的方式让核能驱动类星体。可见，核能还是不够强。
剩下的唯一可能性就是引力能了，这和“永恒”号在卡冈都亚周围的航行时，我们考察过的能量形式相同。“永恒”号利用中等质量黑洞的引力能进行了引力弹弓弹射（见第6章）。类似地，类星体的能量也必定来自黑洞。
在很多年里，天体物理学家们努力想弄清楚黑洞是怎么“工作”的。1969年，答案被英国格林尼治皇家天文台的唐纳德·林登-贝尔（Donald Lynden-Bell）揭晓。林登-贝尔假设，一个类星体是一个被热气体盘（也叫吸积盘）环绕着的巨大黑洞。而热气体同时也被磁场所缠绕（见图8-2）。
在宇宙中，热气体总是被磁场缠绕（见第1章）。这些磁场被锁定在气体中。气体和磁场步伐一致地移动。
当缠绕在吸积盘上时，磁场就变成了将引力能向光与热转换的催化剂。磁场提供了极强的摩擦力[1]。摩擦力减缓了气体的圆周运动速度，降低了气体用来抵抗引力的离心力，使得气体向内运动，流向黑洞。当气体向内运动时，黑洞的引力会加快它的轨道速度，增幅超过之前被摩擦力所降低的。换句话说，引力能转化成了动能（也就是运动的能量）。磁场提供的摩擦力则进一步将一半的新增动能转化为光和热。这个过程周而复始，不断循环。
黑洞的引力提供了能量，而磁场的摩擦力和吸积盘的气体提取了能量。
林登-贝尔由此下结论说，天文学家们观测到的类星体的明亮光芒来自吸积盘上被加热的气体。并且，磁场把气体中的一些电子加速到了极高的能量。这些电子沿着磁力线做回旋运动，发出可以被人观测到的类星体的射电辐射。
林登-贝尔结合牛顿力学、爱因斯坦相对论物理定律和量子定律计算出了这些细节，成功地解释了除喷流之外类星体的所有天文学观测结果。他的一篇技术性论文描述了他的推理和计算（Lynden-Bell 1979），这篇论文被认为是所有时代最伟大的天体物理论文之一。
喷流：从回旋空间中提取能量
在此后的数年中，天文学家们发现了更多从类星体中向外喷出的喷流，并详细研究了它们。人们很快发现，喷流是磁化了的热气体流，它们从类星体，也就是黑洞和其吸积盘中喷出（见图8-2）。这种喷射带有极强的能量：喷流中的气体向外运动，几乎达到光速。当喷流向外运动与其他远离类星体的物质碰撞时，气体就会在可见光波段、射电波段、X射线波段甚至伽马射线波段辐射能量。喷流有时甚至与类星体一样亮，比最亮的星系还要亮100倍。
天文学家们付出了将近10年的努力，试图解释喷流从何处获得能量，是什么使它们运动得这么快，而形态却这么狭窄、笔直。有好几种解答出现，其中最有趣的一个是建立在英国牛津大学物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）的理论基础上，在1977年由剑桥大学的罗杰·布兰福德（Roger Blandford）和他的学生罗曼·泽奈耶克（Roman Znajek）提出，见图8-3。
马特·齐梅特根据我的草图创作，取自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书
图8-2 艺术家制作的黑洞和吸积盘的概念图，喷流从黑洞的两极向外喷出
吸积盘中的气体逐渐地回旋着落入黑洞。布兰福德和泽奈耶克推断，当气体穿越黑洞的视界时，每一小点儿气体都会把它拥有的一点儿磁场储存在视界上，之后周围的吸积盘会令磁场一直保持在那里。自旋的黑洞会拖曳着周围空间进行回旋运动（见图4-4和图4-5），而回旋的空间会令磁场产生回旋（见图8-3）。就像水力发电站的发电机那样，回旋的磁场可以产生极强的电场。电场和回旋磁场协同工作，将等离子体（热的并且电离的气体）以接近光的速度向上下方汲出，催生两个强大的喷流。黑洞自旋通过陀螺仪机制可以稳定地维持住喷流的喷射方向而不使之改变。
在类星体3C 273中，我们只能看见一个明亮的喷流。但在其他某些类星体中，两个喷流都是可见的。
以爱因斯坦的相对论物理定律为主要基础，布兰福德和泽奈耶克计算出了全部细节。至此，他们可以解释天文学家们对喷流的大多数观测结果了。
在另一种对问题的解答中（见图8-4），回旋的磁场固定在吸积盘上而不是黑洞上。磁场被吸积盘的运动轨道拖曳着形成回旋。在其他方面，这种答案和之前一样，如发电机机制的形成，如等离子体被抛出的情形。这种解答在黑洞没有自旋的情况下仍然有效。但是我们相当确定大多数黑洞是快速自旋的，所以我猜测布兰德福-泽奈耶克机制[2]（见图8-3）可能是在类星体中最常见的机制，但这可能是个人偏见。我在20世纪80年代花费了很多时间探索这一机制的理论，甚至与其他人合写过一部关于该理论的学术著作。
马特·齐梅特根据我的草图创作，取自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书
图8-3 产生喷流的布兰德福-泽奈耶克机制
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马特·齐梅特根据我的草图创作，取自我所著的《黑洞与时间弯曲》一书
图8-4 与图8-3类似，但磁场是固定在吸积盘上的
吸积盘从何处来？潮汐力撕裂恒星
1969年，林登-贝尔推测类星体存在于星系的中心。他说：“我们无法看到类星体的宿主星系，是因为星系发出的光比类星体的弱得多。”类星体掩盖了星系。几十年过去了，仰赖技术的进步，天文学家们确实发现了很多类星体周围星系发出的光，验证了林登贝尔的猜测。
在最近几十年里，我们还了解了吸积盘气体的来源。恒星偶尔会来到离类星体的黑洞非常近的地方。此时，黑洞的潮汐力（见第3章）会撕烈恒星。被撕裂恒星的气体很多被黑洞捕获，形成了吸积盘，但也有一些逃逸。
在最近几年里，多亏计算机技术的进步，天体物理学家们模拟了这一过程。图8-5来自詹姆斯·吉约雄（James Guillochon）、恩里科·拉米雷斯-鲁伊斯（Enrico Ramirez-Ruiz）、丹尼尔·卡塞恩（Daniel Kasen，加州大学圣克鲁兹分校）和斯蒂芬·罗索沃格（Stephan Rosswog，不莱梅大学）最近进行的数值模拟[3]。在模拟时间零点时（没有展示在图中），恒星几乎是正对着向黑洞飞来，而黑洞的潮汐力开始在面向黑洞的方向拉伸恒星，并在侧面挤压它（见图5-1）。12个小时后，在图8-5所示的位置上，恒星产生了强烈的变形。在接下来的几个小时，沿着蓝色的引力弹弓轨道，恒星划过黑洞附近，其变形进一步加剧。24个小时后，恒星飞离，但是其自引力已经无法阻止自身的解体。
根据詹姆斯·吉约雄和苏维·格扎日（Suvi Gezari，约翰霍普金斯大学）运行的另一个数值模拟显示，恒星接下来的命运就将如图8-6所示。顶部的两幅图片显示的是图8-5所示过程开始之前和结束之后短暂时刻的情形。相比其他图片，我将这两张图放大了10倍，以便看清楚黑洞和正在被瓦解的恒星。
图8-5 一颗红巨星在一个类似于黑洞卡冈都亚大小的潮汐力作用下瓦解
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正如整组图片所展示的，在接下来的几年中，恒星的很大一部分物质被捕获进了绕转黑洞的轨道，形成了一个吸积盘。而剩下的物质则沿着一条喷射状的长束逃离了黑洞的引力束缚。
卡冈都亚的吸积盘与丢失的喷流
一个典型的吸积盘及其喷流都会产生辐射：X射线、伽马射线、射电辐射和可见光。这些辐射非常强，会将附近的所有人烤死。为了避免这一伤害，诺兰和保罗赋予了卡冈都亚一个极度没有活力的吸积盘。
“没有活力”在这里不是相对于人类而言，而是相对于典型类星体的吸积盘而言。相对于典型类星体吸积盘的上亿度的高温来说，卡冈都亚吸积盘的温度只有几千度，与太阳的表面温度接近，所以它的辐射集中于光学波段，只发射一点儿甚至不发射X射线和伽马射线。气体很冷，以至于原子的热运动速度会变得很慢，无法令吸积盘膨胀。所以，卡冈都亚的吸积盘很薄，基本上被约束在赤道面上，只有稍微的膨起。
图8-6 图8-5中所示恒星接下来的命运
在那些长时间没有被“喂食”的黑洞（最近几百万年来都没有撕裂过恒星）周围，这样的盘可能很常见。最初被约束在吸积盘上的等离子体中的绝大部分磁场可能会流失，而之前由磁场供能的喷流也会消失。这就是卡冈都亚的吸积盘：很薄，没有喷流，对人类来说相对安全。注意，只是相对安全。
卡冈都亚的吸积盘和你在网络上或者一些天体物理论文上看到的薄盘的图片有很大不同，因为那些图片忽略了一个重要特征：黑洞对吸积盘的引力透镜效应。但《星际穿越》没有无视这个特征，因为诺兰要坚持视觉特效的准确性。
尤金妮娅被要求在奥利弗的引力透镜计算机程序中加入一个吸积盘。这套程序我在第7章描述过。第一步，尤金妮娅只想看看引力透镜程序能做些什么，于是她在卡冈都亚精确的赤道面上插入了一个真正无限薄的吸积盘。她为本书提供了这个吸积盘的图片。这是一个更适用于教学的版本，吸积盘由等间距的色块构成（见图8-7左上方的小图）。
来自尤金妮娅领导的双重否定视觉特效团队
图8-7 卡冈都亚赤道面上的无限薄盘在经受卡冈都亚扭曲时空的引力透镜作用后的图像。在这里，卡冈都亚旋转得非常快。左上小图：没有黑洞时吸积盘的样子
如果没有引力透镜效应，吸积盘的样子就会是图8-7左上方小图中的那样。引力透镜带来了巨大的改变（见图8-7主图）。你可能期待着吸积盘的一部分隐藏在黑洞背后。但事实并不是这样，引力透镜效应产生了两个像：一个在卡冈都亚黑洞之上，一个在其之下。从图8-8可以看到，卡冈都亚背后的吸积盘的上表面发出的光，先向上传播然后绕过黑洞进入摄像机，生成了图8-7中包围在黑洞阴影上方的吸积盘的像。类似的机制也生成了包围在卡冈都亚阴影下方吸积盘的图像。
图8-8 光线（红色）带给了摄像机卡冈都亚背后吸积盘的像：一个像在黑洞阴影的上方，一个在下方
在这些主像的内侧，我们可以看到吸积盘狭窄的次级像，它们弯曲在阴影的上方和下方，靠近阴影边缘。如果我们把图片做得比现在大很多，那么你便可以看到三级像和更高级的像，它们与阴影的距离会一个比一个近。
你能搞清楚经受引力透镜后的吸积盘为什么是你看到的样子吗？为什么阴影下方弯曲的主像会和阴影上方弯曲的狭窄次级像相接？为什么染色的色块在向上弯曲和向下弯曲的图像中被很大程度地拉伸，而在两侧的图像中却被挤压？……卡冈都亚的空间回旋（相对于我们来说，空间从左侧向右侧转动）扭曲了吸积盘的图像。它将左侧吸积盘的图像推离阴影，而将右侧吸积盘的图像拉近阴影，所以吸积盘看起来有点儿不匀称（你能解释原因吗）。
为了进行更深入的理解，尤金妮娅和她的团队用一个更真实的薄的吸积盘取代了图8-7中的调色板盘（color-swatch disk）。结果展示在图8-9中，它看起来漂亮多了，但是也引发了问题——诺兰不希望他的观众困惑于吸积盘的不匀称、黑洞的不匀称、阴影的平坦左边缘以及阴影边缘复杂的恒星场图像（见第7章中的讨论）。所以，他和保罗将卡冈都亚的自旋速率降到了60%的最大自旋速率，以便让这一切奇怪的现象看起来温和一些。尤金妮娅已经忽略了吸积盘左侧向我们运动、右侧远离我们运动而产生的多普勒频移效果。这本会使吸积盘看起来更加不匀称：左侧蓝而明亮，右侧红而暗淡。这会把大量观众完全搞糊涂！
来自尤金妮娅领导的双重否定视觉特效团队
图8-9 卡冈都亚周围无限薄的调色板盘被换成了更加真实的无限薄的吸积盘
双重否定公司的视觉特效团队赋予了吸积盘质地和表面起伏的变化。这种起伏是我们期待会产生在一个真实但没有活力的吸积盘上的：吸积盘微微鼓起的幅度在每个地方都不一样。他们还使得吸积盘靠近卡冈都亚的部分变得更热（更明亮），使离卡冈都亚远的地方变得更冷（更暗淡）。他们使吸积盘在远离卡冈都亚的地方变得更厚，因为卡冈都亚的潮汐力是吸积盘被压扁在赤道面上的原因，在远离黑洞的地方，潮汐力会减弱。他们加入了背景星系，包含了多层原图（尘埃、星云、恒星）。他们还加入了镜头上的亮斑——眩光、光晕，还有光的条纹，由吸积盘明亮光芒经由散射后进入摄像机的镜头所致。这最终创造出了电影中那些令人信服而又令人赞叹的图像（见图8-10和图8-11）。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图8-10 卡冈都亚和吸积盘。吸积盘左上方是米勒星球。吸积盘是如此明亮，以至于星云和恒星几乎都不可见了
尤金妮娅和她的团队当然也考虑了吸积盘上的气体是在轨道上绕着卡冈都亚转动的，因为这样它们才能避免落入黑洞。在电影中，当与引力透镜效果结合后，气体的轨道运动产生了令人印象深刻的流动效果。图8-11中气体的流线（streamline）就展现了这种效果。
电影《星际穿越》剧照，由华纳兄弟娱乐公司授权使用
图8-11 近观卡冈都亚吸积盘的一段。这是“永恒”号从上面经过时船员们看到的。黑色区域是卡冈都亚，被吸积盘所包围。前景有些白色的杂散光
第一次看到这些图片的时候，我觉得非常开心！史上第一次，在一部好莱坞电影中，一个黑洞和它的吸积盘被真实地呈现了出来。这是当我们有一天掌握了星际航行技术后将真正看到的情景。而我，作为一位物理学家，第一次看到了一个真实的吸积盘被引力透镜扭曲后的样子——黑洞背后的吸积盘在黑洞的上方和下方弯曲成像，而不是藏在黑洞背后。
尽管卡冈都亚的吸积盘看起来异常漂亮，但是它没有活力，也没有喷流，那么卡冈都亚的环境真是很友好的吗？阿梅莉亚·布兰德认为的确如此。
[1] 摩擦力起源于一个极 其复杂的过程。流动的气体将磁场有序化，在一定程度上使之加强，从而让气体的动能转化为磁能。之后，与在临近空间区域指向相反的磁场发生磁重联，通过这个过程将磁能转化为热能。整个过程反映了摩擦力的本质：将 运动转化为热。
[2] 布兰德福-泽奈耶克机制（Blandford-Znajek Mechanism） 是从旋转黑洞中提取能量的一种机制。这是类星体能量来源的最佳解释之一，它需要围绕着旋转黑洞的吸积盘和强大的磁场。——译者注
[3] 在图8-5 中，我将原 来黑洞的尺寸修改到卡冈都亚大小，将恒星的尺寸修改到一个红巨星大小，并且相应地修改了原图中的时间标记。关于詹姆斯· 吉约雄的更多模拟请扫以下二维码登录其个人网站。
