黑洞与伽马射线

黑洞周围聚集大量气体与尘埃，形成一个剧烈活动的核心区域。当物质被黑洞强大引力牵引，开始向内坠落时，并不会直接消失，而是先在周围形成一个高速旋转的结构，称为吸积盘。在这个过程中，气体与尘埃因为摩擦与压缩而急速升温，释放出大量能量。这些能量不仅限于人类肉眼可见的光。事实上，活动星系核发出的辐射横跨整个电磁波范围，从电波、可见光到X射线与伽马射线都包含在其中。

伽马射线即γ射线，是电磁波谱里面波长最短频率最高的那一段频谱，
先了解一下电磁波谱

我们人类现在看到和感受到，甚至吃喝拉撒涉及到的一切，都要依赖电磁波。为什么这么说呢？因为电磁波充斥着我们世界每一个角落，只要绝对零度以上，任何物体都会有电磁辐射，所谓电磁辐射就是依靠电磁波传递的。

电磁波是依靠光子

传递的，因此也可以称为光波。但这个光波分为可见光和不可见光，在日常生活中，光波一般只是指电磁波谱中的可见光部分，可见光只是夹在电磁波谱中间那么一小段。电磁波最长的波段有数公里，甚至更长；最短的只有1埃米以下，这最短的就是伽马射线。

电磁波有波长和频率，波长与频率成反比，即：波长越长，频率越低，能量就越小；反之，能量就越大。电磁波波长和频率的关系为：c=λf。这里c为光速，λ为波长，f为频率。电磁波波长最长的是无线电波（包括长波、中波、短波、微波），以后从长到短依次为：红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。

无线电波的波长在千米级到毫米级，长波无线电波长可达数千米，最短的微波波长只有0.1毫米；可见光波长约在760nm到380nm之间，nm即纳米，1毫米=1000μm（微米），1μm=1000nm，1nm=10^-9m（米）。可见光后面的紫外线、X射线、γ射线（伽马射线）波长就一个比一个短了，γ射线是电磁波中波长最短的高能射线，波长只有0.1nm以下。

这个世界上所有的物质都在震动，因此都有频率。频率就是物体每秒钟的震动次数，而电磁波的频率就是电磁波每秒钟震动次数，表示单位为Hz（赫兹）。无线电波频率在1000Hz或更低，到10^9Hz之间；可见光频率范围在3.9*10^14到7.7*10^14Hz之间；伽马射线频率范围最低为10^12Hz，最高可达10^30Hz以上。伽马射线波段最长的只有0.1nm，且其频率是每秒钟震动万亿次以上，因此γ射线是宇宙中最强大的“光”，但这种光看不见，

伽马射线对生物的损害原理

伽马射线由于其波段非常短，能量极高，因此可以穿透任何生物的机体。生物机体都是由细胞组成的，而每个细胞里最核心的是遗传物质DNA。比如人体由40~60万亿个细胞组成，这些细胞有大有小，最大的细胞是卵细胞，成熟的卵细胞有200μm（微米）；最小的细胞是血小板，直径只有约2μm。人体受到γ射线照射，γ射线就会进入人体细胞，与细胞发生电离作用，电离后的离子会侵袭细胞里复杂的有机分子，破坏细胞组织。细胞里最重要的核心遗传物质为DNA，是一种双螺旋结构的大分子，其盘踞在细胞核心，主导着细胞的生死和遗传。

这个DNA双螺旋体打开长度约两米，如果把1个人细胞中的所有DNA全部打开并连接起来，据称可从地球往返太阳300多次。但DNA螺旋的直径只有2nm，伽马射线会打断并破坏其结构。因此，当生物受到γ射线照射，都会被打断DNA分子键，让生物机体再也无法生存。当辐射量很大时，生物会瞬间死亡，即便辐射量不大，但机体DNA分子键受损严重，也会缓慢死亡。那种死亡是看着自己机体一寸寸死去的样子，异常恐怖。在臭名昭著的切尔诺贝利核电站爆炸事故中，就有许多居民和救火队员遭受这种地狱般的折磨而死去。

伽马射线产生原理

放射性原子核在发生α衰变、β衰变后会产生一个新核，这个新核处于高能量级，必须向低能级跃迁，跃迁过程就会辐射出γ光子，这就是γ射线。γ射线在核聚变

和核裂变中都会发生，因此在宇宙中充满了γ射线辐射。

太阳的核聚变在体积半径1/4以内的核心里面持续不断进行，主要过程是发生氕核与氕核的链式反应，是从氕到氘再到氦-3，最后到氦-4的反应过程。结局就是4个氕原子核聚变融合成一个氦-4原子核，并在这个过程中释放出伽马光子、中微子和正电子。中微子由于穿透能力极强，很快逃逸出太阳表面到达太空，而携带巨大能量的伽马射线逃离并不容易。

这就涉及到太阳内部光子漫步理论了。光子的传播特点就是真空最快，达到每秒30万千米，但在介质中却磕磕碰碰。太阳内部充满了质子，光子每走一步都会遇到质子，不断进行碰撞和交换。因此，这些光子要穿透70万千米半径的太阳，要与质子碰撞交换10^26次之多，每交换一次就消耗都会衰减，经过几十万年甚至几百万年到达太阳表面的光子，主要就是可见光了。

所以各位不要奇怪，照在我们身上的阳光，其实是在几十万年甚至几百万年前就诞生的光子。

据科学分析，阳光包括了整个电磁波全波段，但99.9%以上能量集中在200~10000nm波长范围，最大辐射能量位于480nm处，这正是可见光蓝色光的范围。因此我们看到的天是蓝色的，海水也是蓝的。

而200nm波段属于紫外线范畴，紫外线照多了对人体是有伤害的，但绝大部分紫外线经过大气层时被臭氧层吸收或反射掉了，到地表的极少。但还是有点，因此阳光强烈时晒久了皮肤就会受到伤害。

宇宙中的恒星都在核聚变，不断辐射着伽马射线；还有超新星爆发、大质量致密天体如中子星碰撞，会产生更多的伽马射线，甚至伽马射线暴，因此在太空中伽马射线很多。但这些伽马射线被大气层阻隔，来到地表的极少。

如果在高空或大气层外活动，就很容易受到伽马射线及其他宇宙射线的伤害，因此宇航员们都要做好防护。但伽马射线是很难阻隔的，在太空或外星球活动的宇航员，尽管有飞船和宇航服起到较好防护作用，受到的辐射量还是比地球地表要大很多。

伽马射线穿透力极强，一般建筑物无法屏蔽，只有特制的高密度材料，如铅板等才有一定效果，而且根据伽马射线强度，铅板的厚度也需增加。

在地球上，人们可能受到的伽马射线伤害主要是来自核裂变

重核裂变过程会发生形变，如铀-235核吸收一个中子之后，就形成激发态的铀-236核，随即发生形变，最终断开向反方向飞离，经典库伦能则转化为两个碎片动能，但很快断裂碎片就收缩成球形，形变动能转化为内部激发能，发射出若干中子和γ射线，以平衡退激能量。

还有许多放射性元素衰变过程，就会发出伽马射线，如钴-60

，通过β衰变释放出能量高达315keV的高速电子，衰变成镍60，同时放出两束伽马射线。这些伽马射线如果管控不好，就会伤害人类。

如原子弹爆炸或核电厂泄漏，前苏联切尔诺贝利核电厂爆炸，就导致了严重的放射性污染，威胁着几百万人的健康，辐射直接导致的死亡达7000多人。

利用γ射线造福社会

人类文明是在对大自然规律不断认识中提升的，γ射线本身就是一种自然现象，是元素在聚合或分裂过程释放出来的一种能量，人们认识了γ射线的内在本质，就可以应对和利用它。

任何科学既可用于造福人类，也可用于危害人类，伽马射线也一样，既可以置人于死地，也可以造福人类。前面对γ射线的危害说了很多，现在说说造福人类的问题。

现在比较常见为人类服务的γ射线有工业探伤和健康医疗运用。工业探伤主要利用伽马射线的穿透力，查看工业品内部的结构是否有问题，比如探查钢板的焊缝，30毫米厚度的钢板焊缝可以采用X射线检查，但超过这个厚度就无能为力了，穿透力更强的伽马射线就大显身手了。

γ射线可以探查300毫米厚度的钢板，方法是在被检查物体后面放上感光胶片，采用伽马射线照射被检查物体，伽马射线透过物体会在胶片上感光，从而留下影像，人们通过对这些影像的分析，就能够了解这个物体有没有问题，是否合格。

而医疗中常用的是伽马刀和放射疗法。X射线在医疗中也起着很大作用，但主要用作人体影像检查，可以看到人体内部的状态。而伽马射线能量比X射线要大很多，可以透过人体表面杀死体内病灶，这样就无须留下创伤就可杀死体内癌细胞肿瘤，减少对人体伤害，还可触及到创伤手术能以达到的部位。

工业探伤和用于医疗的放射源，采用的是放射性元素在β衰变时，会释放出伽马射线的原理，一般采用钴-60。钴-60是钴的放射性同位素之一，半衰期为5.27年，它会通过β衰变释放出高达315keV的高速电子，衰变成镍60，在这同时释放出两束γ射线。

黑洞的引力范围是有限的，就像地球有引力范围，只有在这个范围内的物体才会受到地球引力的显著影响一样，黑洞也是如此。
远离黑洞引力场的天体可以稳定运行，例如地球绕太阳公转，不受其他遥远黑洞的影响。甚至在一些双星系统中，恒星能够在黑洞附近和谐共存。

天文学家观测到了一个活跃的特大质量黑洞的吸积盘，让我们能更多了解这些正在狼吞虎咽的宇宙怪物。

插图：一个带吸积盘的黑洞，图表展示了团队的研究结果。

（图片来源：美国国家光学红外天文研究实验室NOIRLab/美国科学基金会NSF/美国大学天文研究协会AURA/P.Marenfeld）

天文学家首次观测到一个物质盘的外缘，这个物质盘环绕在一个正在吞噬的特大质量黑洞周围。

观测结果可以让科学家更好地测量这些宇宙怪物周围的结构，了解黑洞是如何以这些结构为食的，以及这种吞噬如何影响星系的演化，而星系又反过来涵容了这些现象。

正在进食的特大质量黑洞，位于亮得惊人的活动星系核（AGN）的中心。这些黑洞的质量可能比太阳的质量大数百万甚至数十亿倍。一个由气体和尘埃组成的漩涡盘，紧紧环绕在这些黑洞的周围，正一点点被喂给中心的特大质量天体。

这种特大质量黑洞有着难以置信的引力影响，导致吸积盘中的物质温度高达一千万摄氏度。这使它们发出的辐射能覆盖整个电磁光谱——从高能伽马射线和X射线，到可见光、红外光和无线电波。活动星系核也被称为“类星体”，它们非常明亮，以至于它们周围星系的每颗恒星加起来的光芒，在它们面前都显得黯淡无光。

类星体。（图片来源：美国国家航空航天局NASA/欧洲航天局ESA/Joseph Olmsted（美国太空望远镜科学研究所STScI））

然而，即使有这么强大的输出，由于吸积盘相对较小，而且许多吸积盘位于极其遥远的星系，因此很难直接成像。但作为替代，天文学家可以利用吸积盘的全光谱来了解其物理性质，甚至确定其大小。

这是巴西国家空间研究所的研究人员领导的一个团队所采用的技术。Denimara Dias dos Santos和Alberto Rodriguez Ardila研究了遥远的类星体III Zw002的吸积盘，它位于梅西耶106星系（M106）的中心——位于距地球约2400万光年外的猎犬座。

在这个类星体吸积盘的光谱中，该团队首次看到了近红外发射线。这些线条帮助研究人员确定了这个盘状结构的大小，并据此可断定，正在吞噬它的那个特大质量黑洞的质量，是太阳质量的400到500倍。

“这一发现让我们对这类星系宽线区的结构和表现有了宝贵的了解，揭示了活跃星系中特大质量黑洞周围发生的迷人现象。”Rodriguez Ardila在一份声明中说。

吸积盘周围的激发态

当原子吸收能量，并进入物理学家所说的“激发态”时，才会出现该团队研究的那种射线。最终，这些原子必须返回其最低能量状态或“基态”。这种返回基态的过程会释放出光，这些光有着特定元素的原子所特有的波长和能量（因为每个元素都有一组独特的能级）。

这意味着这些光谱发射情况可以帮助识别恒星、行星大气层中存在的元素，在这个案例里，就可以识别黑洞周围吸积盘中的元素。

恒星和其他来源的发射线在光谱中呈现为尖峰，但特大质量黑洞周围的激烈境况，导致吸积盘发射线呈现出不同的外观。

当接近特大质量黑洞的物质被加速到接近光速时，相关的发射线被加宽，并呈现出较浅的波峰。这些发射线来源的区域被称为吸积盘的“宽线区域”。

当吸积盘的一侧向地球运动时，另一侧远离地球。结果是，吸积盘朝向我们旋转的一侧的光波长更短，而远离的一侧的光波长更长。

这类似于在我们地球上，救护车在城市街道上向你驶来时，警报器的声波聚集在一起，产生短波长、高频的声音。当救护车离开时，声波伸展开来，警笛声的频率下降。

这种现象被称为“多普勒频移”。吸积盘发出的光，会产生两个峰值——一个与远离地球的一侧有关，另一个与快速向地球移动的一侧有关。

多普勒频移示意图。

当这些双峰的、加宽的发射线来自吸积盘的内部区域时，它们不能给天文学家提供任何关于吸积盘大小的提示，但如果可以从外缘看到这些线条，它们就能提供线索。

这个天文学家团队在III Zw002宽线区清晰地检测到了的两个近红外双峰轮廓，一个是来自宽线区盘内部的氢谱线，另一个是来自该区域外部边界的氧谱线。

这些射线是在Gemini近红外光谱仪（GNIRS）收集的数据中发现的，该仪器能够同时观测整个近红外光谱，这能让团队捕捉到类星体单一、清晰且保持校准的光谱。

Rodriguez-Ardila说：“之前我们不知道III Zw002有这种双峰分布，但当我们分析数据时，我们非常清楚地看到了双峰。事实上，我们做了好几次数据分析，还以为可能出错了，但每次我们都看到了同样令人激动的结果。”

这有助于限定吸积盘的尺寸，因为团队发现氢线来自距离中心超大质量黑洞16.77光天的地方，而氧线的起源半径则为18.86光天。

天文学家还能够确定宽线区的大小，估计其外径为52.43光天。此外，团队计算出吸积盘的宽线区与地球的夹角为18度。

小灰人文章说空间内还可以包含空间；黑洞是内部空间/宇宙，

心灵漂浮于空间中，想要固定就创造星系，而星球靠引力固定；这样心灵就能在星球土地上有落脚的地方

已知只占很小一部分， 科技目前观测宇宙尺寸有限，还没未观测到的宇宙范围都是未知，并且观测到的是130亿年前光传播过来的样子，具体那里真实情况是如何，人类无法到达，所以也不知道。
人类所在认知的这已知世界，但宇宙里有很多对于人类来说属于未知……