黑洞从三维结构上看并不是一个光球,因为我们在黑洞照片上看到的环状发光结构是一个吸积盘,就像土星的行星环一样(只不过黑洞周围的环比行星环要大得多,也要热得多),只是存在于一个盘面上,并不是全方位包裹着黑洞的。
黑洞的吸积盘为什么发光呢?首先,吸积盘中的物质来自黑洞过去千百万年来所撕裂的天体:那些还没来得及掉进视界的物质绕着黑洞在最小能量轨道上运行,形成薄盘或厚盘结构。由于“物质向黑洞坠落时释放的引力势能转化为热能”,“盘内位于不同半径处的物质因角速度差产生剧烈摩擦”,“吸积过程压缩磁场、增强磁重联和湍流加热”等加热机制,导致吸积盘温度极高,因此吸积盘以热辐射等多种辐射机制向外辐射电磁波,形成了我们所看到的光环。

但另一个问题恐怕还是令人好奇:就像许多科幻作品中所描述、以及科学理论所语言那样,为什么我们总是看到一道光环穿过黑洞,而周围又有一圈光环呢?我们知道黑洞的定义就是引力强大到连光也无法逃离其引力的天体,而黑洞的视界就是光的临界逃逸半径;那视界以外的光就能自由逃离了吗?很遗憾,被引力扭曲是光子无可避免的命运。爱因斯坦在广义相对论中预言:光线会被引力场扭曲。如这张动图所示,一个背景天体(红圈)正在从前景天体(橙色星号)背后路过,它的光线就会被前景天体所扭曲,使得我们观察到了两个像(蓝色区域),分别从前景天体的上下方路过。有时我们还会观测到 3、4 个像,有时甚至会形成一个环状的像——叫做爱因斯坦环。

这一奇特现象被称为引力透镜,它将显著提升我们观察到的视亮度。在靠近黑洞视界的区域这一现象非常强烈。假设黑洞的吸积盘盘面就在我们看向黑洞的视线方向上,在黑洞“前方”的半个吸积盘径直穿过了黑洞的盘面,直接被我们观测到;而从黑洞背后的那半个吸积盘上发出的光子在向其他方向传播的过程中被黑洞强大的引力所影响,虽然并不会被永久捕获,但还是改变了传播方向,其中一部分便绕过黑洞向我们飞来,导致我们观测到黑洞周围也出现了一圈光环,这便是光线扭曲的结果。




