图6-7 “卡西尼”号从地球到土星的旅程
这些弹弓弹射和我们上面讨论的不同，飞行器的方向没有被强烈地偏转。金星、地球、木星都只是温和地偏转了飞行器，为什么呢？
这是因为这些弹弓提供的引力都太弱了，所以才无法提供强烈的偏转。金星、地球和伊奥都只能提供小偏转，因为它们的引力很弱。木星倒是有很大的引力，但是当时“卡西尼”号只需要一个微小的偏转就可以到达土星，若木星提供的是一个太大的偏转，那么“卡西尼”号反倒会被送到错误的航向上。
虽然航向的偏转很小，但“卡西尼”号还是在掠过这些天体时被结结实实地“踢了一脚”，以此获得了足以弥补燃料不足的动能。在每次掠过行星时（除了伊奥），“卡西尼”号都是追赶着天体，沿特定角度飞行的，所以行星的引力可以有效地带着“卡西尼”号向前航行，为其加速。在电影《星际穿越》中，“永恒”号就利用火星做了一个类似的弹射。
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在过去的10年里，“卡西尼”号考察了土星及其卫星，发回了令人震撼的图片和信息，开创了美术和科学领域的宝藏。
相对于太阳系内这些较弱的引力弹弓，黑洞卡冈都亚的强大引力可以抓住任何超高速移动的物体，并通过一个强大的引力弹弓效应，将这个物体再次抛出去，连光线也不例外。黑洞对光线的偏转形成了引力透镜效应，而这正是我们理解卡冈都亚外形的关键。
[1] 自然界中确实可能存在中等质量黑洞，但到目前为止， 天文学家们仍然没有在观测中确认它的存在。——译者注
[2] 在特定时间、特定地 点发现中等质量黑洞的概率很小， 但根据科幻小说的精神，只要这在物理上是可能的，我们就可以加以利用。
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黑洞本身不发光，所以人类看见卡冈都亚的唯一方式就是通过它对其他天体的光线的影响。在《星际穿越》这部电影中，其他天体包括吸积盘（见第8章）及其所在的星系。星系由气体云和密集的恒星场构成。为简单起见，我们现在只考虑恒星。
卡冈都亚对背景的恒星场投下了黑色的阴影，并且偏转了每颗恒星发出的光线，扭曲了恒星在摄像机上所成的像。这种扭曲就是我在第2章讨论过的引力透镜效应。
如果恒星场前方有一个快速旋转的黑洞（假设就是卡冈都亚），那么你会看到的图像就将如图7-1所示。图7-1假设的就是你处在卡冈都亚的赤道平面，而全黑的区域是卡冈都亚在恒星场上投下的阴影。在阴影边缘，那由非常细的星光构成的环就是火环。我手工增加了火环的对比度，使得阴影的边缘看起来更为显著。在火环之外，我们可以看到密密麻麻的恒星呈现出了一种同心壳状的图案。这种图案便是由引力透镜效应所产生的。
基于双重否定公司视觉特效团队的数值模拟
图7-1 恒星场被类似于卡冈都亚的快速旋转的黑洞的引力透镜扭曲后的样子。从远处看，阴影的角直径大约是9个卡冈都亚半径除以从观测者到卡冈都亚的距离
如果你带着摄像机围绕卡冈都亚转一圈，那么背景星场也会随之发生变化。这种变化结合引力透镜效应会对我们观察到的图像产生戏剧性的影响。恒星在某些区域里会快速流动，在另一些区域里会和缓地流动，而在另一些区域里却会凝固不动。
07 打造黑洞卡冈都亚
在本章中，我会解释图像上的所有特征。我将首先谈到阴影和火环，然后再描述《星际穿越》中的黑洞图像是如何制作的。
在讨论卡冈都亚的外形时，我会假设它是一个快速旋转的黑洞，因为只有这样的黑洞才能解释“永恒”号船员们相对于地球的极端时间损失（见第5章）。但是，因为旋转过快，卡冈都亚的左边缘处会变得扁平（见图7-1），并且恒星流动模式和吸积盘会出现一些特殊的现象。这些可能会令观众困扰，所以诺兰和保罗·富兰克林选择了一个不那么快的自旋速率——大约最大自旋的60%速率——来产生电影中卡冈都亚的图像（参见第8章图8-9、图8-10与图8-11）。
警告：以下3节的解读可能需要大量思考，但即使你跳过它们也不会影响本书其他部分的阅读，所以不要担心。
黑洞阴影及其火环
火壳（见第5章）在产生卡冈都亚的阴影和围绕阴影的细细火环时起到了关键作用。在图7-2中，火壳是卡冈都亚周围的紫色区域。暂时被困住的光子轨道（光线）就分布在这一区域，例如展示在图7-2右上角小图中的轨道（可以参见图5-4和图5-5）。
现在，假设你处在图7-2的黄点上。白色的光线A和B与其他类似的光线带给了你火环的图像，而黑色的光线A和B带给了你阴影边缘的图像。举例来说，白色的光线A起源于远离卡冈都亚的某颗恒星，它向卡冈都亚传播，暂时被困在火壳位于黑洞赤道面轨道的内边缘上。在这条轨道上，它被回旋的空间引导着绕了一圈又一圈，最终逃出来进入你的眼睛。同样，被标记为A的黑色光线从卡冈都亚的视界出发，向外传播并同样被困在火壳的内边缘上，绕转了一圈又一圈，最终逃离，并与白色光线一起进入你的视线。白色光线形成了你看到的细环的一部分，而黑色光线则形成了你看到的阴影边缘的一部分。火壳的作用正是合并这些来源不同的光线，并将它们导入你的视野。
图7-2 卡冈都亚（中心的椭球）的赤道平面（蓝色）、火壳（紫色和淡紫色）以及带来阴影边缘细环的光线（黑色和白色）
白色和黑色的光线B与A的情况类似，不同的是，光线B被困在火壳的外边缘上并且沿着顺时针传播（抵抗空间回旋），而光线A则是被困在火壳内边缘上并沿着逆时针方向传播（被空间回旋带动）。在图7-1中，阴影左边缘处扁平，而右边缘处却圆滑，正是因为光线A（阴影左边缘）来自非常接近于视界的火壳内边缘，而光线B（阴影右边缘）则来自比较靠外的火壳外边缘。
在图7-2中，黑色光线C和D起源于视界，向外传播并暂时被困在火壳的非赤道面轨道上，它们最终逃出了禁锢，进入了你的视野，带给了你阴影边缘在赤道面外的图像。光线D在火壳上的轨道被展示在图7-2右上角的小图中。白色光线C和D（没有画出来）从远处的恒星出发，与黑色光线C和D一起被困在火壳中，但最终与黑色光线一起进入了你的眼睛，同时带给了你火环和阴影边缘的图像。
无自旋黑洞的引力透镜效应
为了理解引力透镜效应对阴影外恒星的作用，并了解恒星是如何随着摄像机的运动而移动的，我们先从一个无自旋黑洞开始，看看它是如何影响单颗恒星发出的光线的。在图7-3中，两条光线从恒星出发到达摄像机。在黑洞周围弯曲的空间里，每条光线走过的都是最直路径，但因为空间弯曲，其路径被偏转了。
基于阿兰·莱阿祖罗（Alain Riazuelo）的数值模拟。扫描右侧二维码，观看这个数值模拟的短片
图7-3 上图：从超体中看到的一个无自旋黑洞周围的弯曲空间。两条光线在弯曲的时空中从恒星传播到摄像机。下图：红圈中的图像是经过引力透镜效应弯曲后的恒星像
数值模拟短片
一条弯曲的光线从黑洞的左侧传播，另一条光线则沿右侧传播。两条到达摄像机的光线都会在那里形成恒星像。图7-3左下的小图显示了摄像机拍摄到的恒星所成的两个像。我用红色的圆圈加以标记，以便将它们和背景中的其他恒星区分开来。请注意，右边的像之所以比左边的更靠近黑洞的阴影，是因为它的光线传播路径更接近黑洞的视界。
所有其他恒星也都在图片中出现了两次。两个像总是处于黑洞的两侧。你能否找到其他几对恒星？在图中，黑洞的阴影代表了所有无法到达摄像机的光线的传播方向。在图7-3右上角的图中，有一个三角区域被标记为阴影。所有“想要”进入阴影的光线都被黑洞抓住并吞噬了。当摄像机沿着它的轨道向右方前进时，恒星在摄像机底片上的图案变化将如图7-4所示。
图中着重标注了两颗恒星：一颗标记在红圈中（即图7-3中的恒星），另一颗则用黄色菱形标记。我们可以看到每颗恒星的两个像：一个在粉色圆圈内，一个则在圈外。这个粉色的圆圈被称作“爱因斯坦环”[1]。
当摄像机向右移动时，恒星的像就将沿着黄色和红色的曲线移动。
爱因斯坦环外的恒星像（我们称它为“主像”）移动的方向和一般人预想的差不多：当恒星平滑地从左向右移动、经过黑洞时，其主像被偏折到了远离阴影的地方（你能想明白为什么会远离阴影而不是靠近它吗）。
基于阿兰·莱阿祖罗的数值模拟
图7-4 当摄像机沿着图7-3中的轨道向右前进时恒星图案的变化
但是，在爱因斯坦环内的像（我们称它为“次级像”）的移动方式却出乎意料：它们从阴影的右侧出现，沿着爱因斯坦环和阴影之间的环先向外移动，然后再移向左方，最后落回阴影边缘。（回到图7-3的示意图将有助于你理解这个现象。）从右侧传播的光线比较靠近黑洞，所以恒星在右侧所成的像也更靠近阴影。在更早的时刻，摄像机的位置更靠近左侧，则从右侧传播的光线需要比现在更靠近黑洞，其路径才会更加弯折以使其到达摄像机。因此，那时恒星在右侧成的像更加靠近阴影的边缘。相反，在更早时刻左侧的光线传播路线离黑洞更远。这时光线的传播路径几乎是直线，成的像也就离黑洞更远了。
好了，如果你已经准备好了，请认真思考一下，恒星像为什么会像图7-4中描绘的那样移动。
快速自旋黑洞的引力透镜效应
黑洞卡冈都亚的超快转速产生了空间回旋，改变了引力透镜效应。恒星在图7-1中（卡冈都亚的情况）形成的图像和图7-4（无自旋黑洞的情况）相比略有不同。而且，观测者看到的恒星流动模式的差别也更大。
在卡冈都亚周围，恒星流动展现出两个爱因斯坦环（见图7-5）。我用粉色的环标记它们。在爱因斯坦环外环之外，恒星向右侧移动（比如，沿着两条红色的曲线），这与图7-4展示的无自旋黑洞周围的情况类似。但是，回旋的时空将星流聚集成了高速运动，并环绕在黑洞的阴影边缘的窄带上。然后，窄带在黑洞赤道附近突然弯折。而与此同时，空间回旋也产生了星流的漩涡（闭合的红圈）。
图7-5 摄像机观测到的快速旋转黑洞（如卡冈都亚）周围的恒星流动模式。在双重否定公司视觉特效团队的数值模拟中，这个黑洞以最大自旋速率的99.9%旋转。此时，摄像机在一个圆形轨道上运转。轨道在黑洞赤道面上，轨道的周长比黑洞视界的周长大6倍。扫描以下二维码，即可观看数值模拟的相关短片
每颗恒星的次级像都出现在两个爱因斯坦环之间。每个次级像的轨迹都是闭合的曲线（如图7-5中黄色的闭合曲线所示）。并且，次级像的运动方向和爱因斯坦环外环之外红色标记的恒星流动方向相反。
如果没有引力透镜效应，卡冈都亚的天空中会有两颗非常特殊的恒星：一颗在卡冈都亚的北极上方，另一颗正好在其南极下方。它们可以类比于地球的北极星，一颗正好是在地球北极轴上的恒星。我用红色的五角星标记了卡冈都亚南、北极星的主像，用黄色五角星标记了它们的次级像。在地球上，天空中的所有恒星都好像绕着北极星做圆周运动，这是因为人类在地球上随着地球自转而活动。类似地，卡冈都亚周围的所有恒星主像都围绕着红色的南、北极星的主像做圆周运动，只是它们的圆周运动轨迹（比如两条红色的闭合曲线）被回旋的空间和引力透镜效应强烈地扭曲了。类似地，所有次级像都会环绕黄色五角星做扭曲的圆周运动（比如沿着两条黄色闭合曲线）。
为什么对于一个无自旋黑洞（见图7-4）来说，次级像会从黑洞的阴影中出现，最终又沉没到阴影中去，而不是像在卡冈都亚周围那样（见图7-5），其运动轨迹形成一条闭合的曲线呢？其实在无自旋黑洞周围，次级像的运动确实形成了闭合的路径，但是闭合曲线的内侧离黑洞阴影的边缘太近了，所以看不到。卡冈都亚的自旋产生了空间回旋，而后者使得爱因斯坦环内环向外移动，令其显现出来，同时也显现出了次级像的全貌（图7-5中的黄色曲线）。
在爱因斯坦环内环之内，恒星流动模式更加复杂。如果说宇宙中所有恒星的主像都在爱因斯坦环外环之外，而次级像在两环之间，那么内环之内汇集的就是所有恒星的三级像和更高级的像。在图7-6中，我在5幅小图中展示了卡冈都亚的赤道平面。黑色的圆代表黑洞，紫色的虚线代表摄像机的轨道，红色的曲线标示了光线——光线给摄像机带来了恒星像，这些像在图7-6上部的图片中由蓝色箭头标示。此时，摄像机则绕卡冈都亚逆时针而行。
来自双重否定公司视觉特效团队的数值模拟，与图7-1和图7-5的模拟相同
图7-6 产生蓝色箭头标记的恒星像的光线运行轨迹
一幅幅地浏览这些图片可以帮助你增加对引力透镜效应的了解。注意，恒星的真实方向是在图的右上方（见红色光线的最外端），而恒星像的位置则由光线进入摄像机的方向决定。十级像离阴影的左侧边缘很近，右侧的次级像的位置则很靠近阴影右侧的边缘。比较摄像机观测到的这些像的方向，我们会发现阴影在摄像机正上方的天空中占据了150度的区域。虽然卡冈都亚的中心在图中的位置是摄像机的左上方，但是相对于卡冈都亚的真实位置来说，引力透镜移动了阴影。
制造《星际穿越》中黑洞和虫洞的视觉特效
诺兰希望电影中的卡冈都亚看起来是一个从近处观察到的旋转黑洞的真实相貌，所以他拜托保罗来咨询我。保罗请我和《星际穿越》的视觉特效团队保持密切联系。之前说过，这个团队是由伦敦的双重否定公司的班底构成的。
于是，我鼓起干劲开始与这一团队的首席科学家奥利弗·詹姆斯紧密合作。奥利弗和我通过电话、Skype进行讨论。我们交换电子邮件和文档，有时也在洛杉矶或者他位于伦敦的办公室中碰面。奥利弗有光学和原子物理专业的学士学位，懂得爱因斯坦的相对论物理定律，所以我们有着共同的技术语言。
我的几位物理学家朋友们已经用计算机数值模拟研究过在黑洞轨道上绕转甚至是落入黑洞时人会看到什么情景。这个领域最优秀的专家是法国巴黎天文台的阿兰·莱阿祖罗和美国科罗拉多大学博尔德分校的安德鲁·汉密尔顿（Andrew Hamilton）。安德鲁曾经制作过一些有关黑洞的影片，在世界上的一些天文馆中播出过。而阿兰用数值模拟研究过像卡冈都亚这样自旋非常非常快的黑洞。
所以，最初我计划让奥利弗联系阿兰和安德鲁，向他们寻求所需的数值模拟数据。说实话，在做了这个决定后，我有好几天不太舒服。最终，我改变了主意。
在半个世纪的物理研究生涯中，我付出了巨大的努力以寻求新发现，也指导学生，帮助他们作出新发现。但我自问，为什么不换换口味，做点儿有趣的研究，哪怕别人已经在此之前做了一些工作也无妨。于是，我决定亲自上阵。我确实从中获得了乐趣。令我没想到的是，作为副产品，我也得到了一些新发现。
我极大地受益于他人此前的工作，特别是法国宇宙理论实验室（Laboratoire Univers et Théories）的布兰登·卡特（Brandon Carter）和哥伦比亚大学的耶娜·莱文（Janna Levin）所做的工作。在这些工作的基础上，我利用爱因斯坦的相对论物理定律，设法写出了奥利弗需要的那些方程。这些方程可以用来计算光线的路径。比如说，光线从一颗遥远的恒星出发，通过卡冈都亚的弯曲时空进入摄像机的路径。我的方程可以计算出这些光线进入摄像机所成的像，结果不但考虑了光源的性质和卡冈都亚的弯曲时空，也考虑了摄像机围绕卡冈都亚的运动。
在推导出方程后，我使用了方便实用的计算机软件Mathematica，自己编程并且计算出结果。我对比了Mathematica生成的图像和阿兰的图像。当我发现它们很好地契合了时，我感到很高兴。之后，我详细描述了我的方程，将其和Mathematica程序一起发给了奥利弗。因为这一程序算起来非常缓慢，所以只能给出低分辨率的结果。奥利弗面临的挑战是，如何将我的方程转换成能够生成超高品质IMAX图像的计算机程序。
奥利弗和我一步步地实现了这一目标。我们首先考虑的是一个无自旋黑洞和一台静止的摄像机。随后，我们加入了黑洞的自旋。再往后，我们加入了摄像机的运动：先是在一个圆形轨道上运动，然后径直落入黑洞。最后，我们计算出了摄像机在虫洞附近能观测到的景象。
这时，奥利弗提出了新要求，让我小吃了一惊：为了实现某些更加精细的视觉效果，他不但需要知道描述光线传播路径的方程，还需要知道光束在经过黑洞时，其截面的尺寸和形状是如何变化的。
我大约知道怎么做，但是这些方程复杂得吓人，我怕会算错。所以，我搜索了一下过去的技术文献，发现早在1977年，加拿大多伦多大学的瑟奇·皮诺特（Serge Pineault）和罗布·罗德（Rob Roeder）就已经推导出了必要的方程——几乎就是我所需要的形式！我又费劲地努力了3周，将他们的方程转换成了我们需要的精确形式。我用Mathematica推导出了这些方程，得出结果后发给奥利弗。他又将方程整合成了计算机程序。最后，这些程序制造出了电影所需要的高品质图像。
在双重否定公司那边，奥利弗的计算机程序只是工作的开始。他要将程序交给由尤金妮娅·冯·腾泽尔曼领导的艺术团队——他们会为之加上吸积盘（见第8章），并创建星系背景和其中的恒星、星云。这些天体图像随后将被卡冈都亚的引力透镜弯曲。她的团队之后又增加了“永恒”号、“巡逻者”号和“登陆”号，构造了摄像机内看到的图像（考虑了摄像机的运动、运动方向和视野等）。最后，他们将这一切塑造成具有强烈吸引力的图像：在电影中实际呈现的那种令人赞叹的场景。更多讨论请见第8章。
与此同时，我在苦苦思索奥利弗和尤金妮娅交给我的电影片段，努力理解为什么图像看起来是那样的以及恒星场在镜头中为什么那样流动。对我来说，这些电影片段就像实验数据：它们展示了我脑海中没有的图像。这些图像只有数值模拟能够提供，就比如在之前章节中我描述过的那些（见图7-5和图7-6）。我们计划发表一篇或多篇技术文章，以描述我们学到的这些新东西。
引力弹弓旅程中的景象
虽然诺兰决定不在电影《星际穿越》中展示任何引力弹弓之旅中间过程的镜头，但我却好奇在库珀驾驶“巡逻者”号前往米勒星球的途中，会看到什么样的图景。所以我用自己的方程和Mathematica模拟出了它们的图像（因为我的程序太慢了，所以得出的图像能达到的分辨率远远低于奥利弗和尤金妮娅所模拟出的图像）。
在我对《星际穿越》的科学解释中，库珀驾驶“巡逻者”号时需要借助一个中等质量黑洞的引力弹弓来改变方向，以飞向米勒星球。这就是图6-2所描述的引力弹弓弹射。图7-7显示了一系列图片，这是库珀将会在引力弹弓旅途中看到的景象。
在图7-7最顶部的图片中，卡冈都亚在中等质量黑洞的背景上，后者正在从它前面经过。中等质量黑洞抓住了遥远恒星发出的向卡冈都亚传播的光线，令这些光线先环绕自己传播，并最终将其送入摄像机中。这解释了中等质量黑洞周围甜甜圈状的星光。虽然中等质量黑洞比卡冈都亚轻1 000倍，但它离“巡逻者”号的距离比卡冈都亚近得多，所以体积看起来只是略小一些。
基于我自己的数值模拟最终成形的图像
图7-7 以卡冈都亚为背景，利用中等质量黑洞作为引力弹弓时我们可以看到的景象
从记载引力弹弓旅途中的摄像机来看，中等质量黑洞向右移动，后面是卡冈都亚阴影的主像（见图7-7的中间图），它前方是卡冈都亚阴影的次级像。这两个像完全可以被类比为恒星像被黑洞的引力透镜弯折之后产生的主像和次级像，只不过现在是卡冈都亚的阴影被中等质量黑洞的引力透镜偏折了。
在图7-7最底端的图中，当中等质量黑洞继续向右移动时，阴影的次级像缩小了，这时引力弹弓旅程几近结束，而摄像机则随着“巡逻者”号向下驶往米勒星球。
尽管这些图像令人印象深刻，但只有靠近中等质量黑洞和卡冈都亚时才能看到。地球上的天文学家们能够看到的关于巨型黑洞最壮观的景象产生自黑洞的喷流和明亮的热气体盘。我们接下来就要说到这些。
[1] 爱因斯坦环（Einstein ring）：在天文上，遥远天体发出的光被路径上的强大引力场折射（引力透镜）所形成的圆环图案。——译者注
08 瑰丽奇美的吸积盘与喷流
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。
