吸积
吸积（Accretion）是天体周围的气体由于受到引力作用而朝着该天体下落的过程。
吸积过程在宇宙中非常普遍，吸积天体可以是星系、恒星、致密星、行星等。恒星和行星的形成都是通过吸积来完成的，超大质量黑洞的吸积是活动星系核的能源，中子星和恒星级黑洞的吸积则发生在X射线双星和γ射线暴中，因此对吸积理论的研究是理解上述天文现象的关键。按天体类型吸积可以分为行星吸积、恒星吸积、黑洞吸积、白矮星与中子星吸积等；按吸积模式可以分为失控吸积、卵石吸积等。
吸积这一概念最早由俄罗斯地球物理学奥托·施密特（Otto Schmidt，1891-1956）于1944年提出。1969年，林登—贝尔（Lynden-Bell）首创性地用吸积盘理论解释了类星体的能源机制。
定义
定义
吸积（Accretion）是天体周围的气体由于受到引力作用而朝着该天体下落的过程。
相关定义
吸积盘（Accretion disk）是吸积物质在致密天体周围形成的盘状物。对于没有磁场的致密星，或者在远离强磁场的区域，吸积运动主要由致密星的引力场控制。这时，如果吸积物质没有足够的角动量，则入射流是径向的，形成球对称的吸积。如果吸积物质具有较大的角动量，它们就不会沿径向轨道直接落到致密星上，而是围绕致密星运动，形成一个绕致密星作较差转动的盘状物，称为吸积盘。吸积盘上的物质，受粘滞性的影响，是沿着螺旋轨道向星体表面进动的。在星体表面附近，物质密度增加很快，并向外释放能量。吸积盘的具体性质取决于致密星的具体情况，以及吸积物质的原始物理特性。有关X射线密近双星的能源机制等问题，多采用吸积盘模型来解释。
天体对周围物质的吸积存在一个外边界，通常称为邦迪半径。在邦迪半径处，吸积气体的内能与其引力势能相等。在此半径以内，引力势能大于内能，因此气体是束缚的，处于天体引力的控制范围内。在此半径之外，气体可认为不受引力控制。吸积过程中由于总能量守恒，随着吸积气体的下落，势能会逐渐转化成动能和内能，气体的温度变得很高，因此就会发出强烈的辐射。吸积是宇宙中非常高效的释能方式。单位时间内通过某一半径向内吸积的气体的总质量称为吸积率，该总质量对应的静质量能量转化成辐射能的比例称为辐射效率。吸积发出的辐射功率等于吸积率与辐射效率的乘积。
发现
欧美
吸积理论（又称吸积）在天体物理学领域为行星及其他天体的形成提供了科学解释。根据该理论，这些天体是由微小尘埃颗粒在引力作用下聚集形成。这一概念最早由俄罗斯地球物理学奥托·施密特（Otto Schmidt，1891-1956）于1944年提出。施密特假设在太阳系早期阶段，一个由气体和尘埃构成的巨大盘状云团环绕着太阳。施密特提出，太阳在穿越银河系时，与另一颗恒星共同经过一个富含尘埃和气体的星云，从而获得了这个云团。另一颗恒星的近距离存在帮助太阳捕获了物质，这些物质随后发生了凝聚。关于太阳系形成的假说可分为两类：渐进说和灾变说。渐进说认为太阳与行星通过单一演化过程形成，这一思想可追溯至伊曼努尔·康德（Immanuel Kant，1724-1804）和皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace，1749-1827）提出的理论。第二种假说认为，重大天文事件（如恒星碰撞或近距离接触）可能触发了行星形成。施密特的假说最初被归入此类解释范畴。
1969年林登—贝尔（Lynden-Bell）首创性地用吸积盘理论解释了类星体的能源机制。1973年Shakura和Sunyeav引入了α参数描述粘滞，建立了著名的α模型。对吸积盘不稳定性问题的研究，有利于解释天体的周期、准周期光变现象。Lightman（1974）首先研究了α模型的不稳定性。Kato（1976）指出除了粘滞和热不稳定性，还存在径向振荡不稳定性。Okuda（1992）等人及Chen和Tamm（1992）对脉动不稳定性进行了较深入的研究。此外，Bath-Pringle（1981）提出“有限循环”不稳定性模型，成功地解释了矮新星的光变现象。由于许多活动天体的光度接近或超过亚瑟·埃丁顿极限，于是在80年代初期，出现了厚盘模型。在吸积盘理论中，磁场起着重要作用。近年来有大量工作是关于有磁吸积盘不稳定性问题的研究。当吸积盘本身的质量与中心质量可以相比拟时，则需要考虑盘的自引力的影响。径向对流（Advection）的盘模型，引起了人们的广泛关注。对这一盘模型的研究，将会有力地推动吸积盘理论的发展。
中国
中国天文学者在吸积盘理论研究领域，做出了一些有积极意义的贡献。如中国科学技术大学张家铝等在全球最先认识到电子对过程对吸积盘理论的重要意义，成功地解释了天鹅座X-1的硬X射线难题。他们的论文发表至今，虽然过去了20年，仍不断有人引用。张家铝等人的研究工作，还从理论上严格证明了无论是牛顿理论还是广义相对论情况，吸积盘都应有一种反常温度分布轮廓存在。该项工作曾由德国学者Paul推广，用于解释一些高能天体现象。中国科学技术大学卢炬甫在吸积盘理论研究工作中得到了黑洞的有角动量吸积流运动方向的跨音速整体解，被国外学者肯定为相对论吸积流运动方程迄今仅有的两个精确解之一，已被写入有关综合评述与专著中，被国外学者引用约达30次之多。卢炬甫等还证明了在给定边界条件下黑洞吸积流定常态运动解总是惟一的，这一结果被国外有关学者称之为“卢和Abramowicz的惟一定性定理”。国外引用已达十余次。
华中师范大学杨兰田等在吸积盘不稳定性理论研究方面提出“轴对称薄吸积盘径向振荡不稳定性模型”，该模型从一般吸积盘流体力学方程组出发，分别就不同情况下的不稳定性模式进行了讨论，并找出一些有意义的不稳定性判据，所得结果成功地解释了矮新星光变现象。该文被国外引用达30余次之多，成为全球研究吸积盘径向振荡不稳定性具有开创意义的两篇论文之一。此后杨兰田等与北京天文台吴学兵，华中科技大学汪定雄等人将径向振荡不稳定性模型推广到有磁吸积盘及自引力吸积盘，和具有角向和轴向振荡的更为普遍的情况，成功地解释了类星体、活动星系核，X射线双星乃至年轻恒星FU Ori和T Tau型星的周期、准周期光变现象。以上成果，在全球天文、天体物理核心刊物（进入《SCI》检索刊物）及中国天体物理学报等发表了系列论文多篇。
杨兰田还出版了专著：《流体力学与吸积盘理论》（科学出版社，1992）。较为系统地阐述流体力学基础理论与吸积盘的基本概念、原理及其在天体物理中的应用。华中师范大学杨丕博等研究了含正负电子对的双温吸积盘模型，指出对于轫致辐射盘，电子对的影响可以忽略；而对于轫致辐射康普顿化盘，电子对的密度可达10-2～1。可知电子对对盘的结构和光谱确有很大的影是有力的支持。中国科学院云南天文台谢光中等将吸积盘的S型有限循环理论发展到高温（T≥2×105K）和短时标光变的情况，成功地解释了BL Lac天体On+231的准周期光变现象。
特征
吸积过程在宇宙中非常普遍，吸积天体可以是星系、恒星、致密星、行星等。恒星和行星的形成都是通过吸积来完成的，超大质量黑洞的吸积是活动星系核的能源，中子星和恒星级黑洞的吸积则发生在X射线双星和γ射线暴中，因此对吸积理论的研究是理解上述天文现象的关键。
如果吸积气体的角动量很小，则吸积过程可以近似用球对称吸积来描述。在球对称吸积中，气体以接近自由下落的速度沿着径向方向朝天体运动。较高的运动速度导致球对称吸积的辐射效率比较低。球对称吸积所能达到的最大辐射光度是亚瑟·埃丁顿极限光度。如果吸积气体的角动量不可忽略，气体会形成一个盘状结构，称为吸积盘。在吸积盘中，气体一方面围绕中心天体做圆周运动，一方面也存在一个径向运动的速度，所以总的运动是沿着螺旋线下落。这种盘吸积模型的核心问题是如何将气体的角动量转移出去。这方面公认的机制是磁转动不稳定性。盘吸积的辐射效率要比球吸积高得多。
根据吸积气体温度的不同，吸积盘可以分为冷吸积盘（如标准薄盘）以及热吸积流两种模式，这两种吸积模式对应描述黑洞吸积的方程组的两个系列解。当吸积率值高于大约爱丁顿吸积率的十分之一时，吸积属于冷吸积盘模式；当吸积率低于亚瑟·埃丁顿吸积率的十分之一时，则属于热吸积流模式。含角动量的吸积过程一个重要现象是：气体在吸积的同时往往伴随着喷流与风。这两者有时也合称为外流。也就是说，并不是所有的进入邦迪半径的气体最终都会落入中心天体，有一部分气体会通过风或者喷流的形式流失。
辐射、喷流、风是吸积系统三种主要的物质和能量输出形式。对于活动星系核，这三种输出会与活动星系核所在的宿主星系中的星际介质气体相互作用，改变这些气体的温度、密度等物理性质。这一方面会影响着星系中的恒星形成进而影响星系的演化，另一方面也会影响星系中心超大质量黑洞的吸积。这一相互影响的过程称为活动星系核反馈。这一机制被认为是影响星系演化的关键物理过程。
分类
按天体分类
行星吸积
行星形成早期阶段，通过气体、尘埃及小天体聚集形成行星核心的过程。宇宙尘埃的自我积聚过程会加速粒子增长，从而形成星子或巨石。这些尺寸较大的星子能够吸引并积聚更小的粒子，而有些则在碰撞时发生坍塌。吸积盘常见于近距离双星系统中的较小恒星或恒星遗迹周围，或星系中心的黑洞周围。为了使盘中的气体失去角动量并落到中央大质量天体上，诸如动力摩擦等某些动力学机制起着至关重要的作用。这一过程有时会导致恒星表面融合，该现象被称为邦迪吸积。
类地行星或行星核的形成过程
在考虑类地行星或行星核的形成时，需考虑多个步骤。最初，气体和尘埃粒子的碰撞通过范德华力和电磁力等过程形成微米级粒子，此时积聚机制主要为非引力机制。然而，对于形成厘米至米级星子的过程，人们尚不清楚，也没有令人信服的解释说明这些颗粒为何会积聚而非简单反弹。特别是，这些物体如何成长为0.1-1公里大小的星子仍不明确；这一挑战被称为“米级障碍”。随着尘埃粒子通过凝结核聚集增长，它们与附近其他粒子的相对速度增加，同时产生系统内部漂移速度，导致破坏性碰撞，最终将聚集体的大小限制在最大值范围内。Ward（1996）认为，碰撞颗粒极低但非零的引力使它们在低速碰撞时不会飞散。人们还认为，颗粒破碎在补充小颗粒、维持盘的厚度以及保持各种尺寸固体的高含量方面起着至关重要的作用。
随着时间的推移，颗粒聚集形成星子，大小可达山峦甚至更大。通过碰撞和引力作用，这些星子在0.1-100万年内发展成月球大小的行星胚胎。最终，这些行星胚胎相互碰撞，在1000万至1亿年内形成完全成熟的行星。星子的质量足够大，其引力相互作用对其演化有显著影响。较小天体因气体阻力而失去轨道能量，从而避免了被困在胚胎轨道之间，这有助于行星胚胎的成长。进一步的碰撞和聚集形成了类地行星或气态巨行星的核心。
如果星子是通过特定卵石团块的引力坍缩形成的，那么它们发展成行星胚胎和巨行星核心的过程主要受其他卵石团块的影响。当物体靠近大型天体移动时，它们会经历气体阻力，这有助于卵石的积聚。气体阻力导致卵石速度减慢至低于大质量天体的逃逸速度，从而使其呈螺旋状移动并最终积聚其上。与星子吸积相比，卵石吸积过程可显著加速行星的形成，速度提高1000倍，使巨行星在气体盘消散之前形成。然而，通过卵石吸积形成的核心质量与天王星和海王星的最终质量和成分似乎不一致。
类地行星与巨行星的形成差异
类地行星的形成与巨行星（也称为巨行星）的形成截然不同。类地行星由太阳系内凝结的金属和岩石粒子组成。相比之下，巨行星起源于冰冷的星子，它们从太阳星云中捕获了氢和氦气。这两种星子的区别由太阳星云中的霜冻线决定。
恒星吸积
分子云坍缩导致新恒星形成的过程，通常伴随对周围物质的吸积。该过程贯穿恒星演化的始终：在恒星形成初期，气体云中质量约为云初始质量0.01倍的静力平衡核心通过吸积周围物质逐渐成长为更大质量的恒星；吸积阶段结束后，物质外流持续贯穿恒星生命期并阻碍进一步吸积。恒星演化末期可能形成白矮星、中子星或黑洞，对这些致密天体的吸积将产生多种可观测现象。
双星系统的吸积特征：密近双星系统中，当主星进入巨星阶段时会发生显著质量流失，而伴星可在数千年内经历质量剧增。此物质转移过程被称为物质溢流，其强度通常高于孤立恒星系统。溢流过程中释放的引力能转化为热能并通过辐射散失，物质落入恒星时速度与温度同步升高。物质吸积的具体模式取决于多重因素：恒星相对于周围气体的运动速度；单射气体的动量；恒星电离气体环境中是否存在有序磁场。
根据这些参数差异，可划分以下四类典型吸积模式：（1）无规则磁场低动量球对称吸积：遵循质量守恒定律与伯努利方程，描述方程存在亚音速流与超声速流转换的特殊点；吸积曲线ACK速度向中心逐渐增大。无序小尺度磁场虽不破坏球对称性，但通过动能→磁能→热能的转化（磁场湮灭与同步辐射）显著提升能量释放效率。（2）超声速运动激波吸积：恒星以超声速穿越物质时，后方形成锥形激波层，吸积发生于该区域。（3）伴星物质高速吸积：双星系统中物质从正常恒星落入白矮星、中子星或黑洞时获得高动量，离心力逐渐抵消引力，最终形成旋转薄吸积盘。盘层间摩擦导致动量损失，气体逐渐向中心迁移，能量以盘面辐射形式散失。（4）复合模式吸积：当物质自带磁场、携带高旋转动量或落入运动恒星时，可能出现多种吸积模式的组合效应。
黑洞吸积
超大质量黑洞通过吸积周围物质（如气体与尘埃）实现质量增长的机制。黑洞磁化吸积的光度可达0.3Ms²（无磁场时仅为10⁻⁸Mc²），显示磁场对能量转化的显著增强作用。而吸积盘的能量释放效率甚至超过核反应，解释了活动星系核等高能现象。当气体落入无表面的黑洞时，引力能仅在吸积盘中释放。若黑洞拥有强磁场，磁场会阻止物质自由落体，该停止半径称为阿尔文半径。物质随后沿磁场线流向磁极附近，导致磁极比恒星表面其他部分显著更热。
白矮星与中子星吸积
在白矮星或中子星上，超过一半的引力能在恒星表面附近释放。若无磁场，恒星表面会因入射流与表面碰撞产生的冲击波能量或在吸积盘与缓慢旋转恒星间的薄边界层中释放的能量而加热。强磁场使吸积过程复杂化，物质需穿透磁层才能到达磁极，这通常因流体动力学不稳定性（如瑞利-泰勒不稳定性）的发展而发生。若辐射分布不均且中子星绕非磁轴旋转，则观察到X射线脉冲星现象，这在具有强烈吸积的双星系统中尤为明显。
吸积过程导致白矮星表面层与内部区域的化学组成不同。随着白矮星表面氢-氦层质量的增加，其变得不稳定并发生核燃烧，导致热闪光和新星的诞生。中子星表面层的热核爆炸可解释某些X射线源的爆发。
按模式分类
失控吸积
当常规吸积调控机制失效时（如行星形成阶段巨型气体积聚），吸积速率持续上升直至物质耗尽或其他限制因素介入。
卵石吸积
行星胚胎通过吸积原行星盘内厘米至米级固态颗粒（卵石）实现快速生长，该机制显著加速巨行星核心形成。
观测
观测方法主要包括以下几种：
（1）直接观测技术：这种方法利用特殊望远镜或探测器直接捕捉到吸积盘中的物质运动。例如，通过引力透镜效应进行观测，可以直接观测到吸积盘的一些特征。
（2）间接观测技术：通过观察吸积盘附近的恒星运动、光谱变化等现象，科学家可以间接推断出吸积盘的存在及其性质。
高能天体物理研究：结合高能天体物理数据，如X射线、γ射线等辐射信息，科学家能够推断出吸积盘的存在及其演化过程。
（3）引力波探测：通过引力波探测器捕捉并分析黑洞合并事件产生的引力波信号，科学家可以获取关于吸积盘的重要信息。
（4）背景辐射（CMB）观测：通过分析宇宙微波背景辐射中的微小扰动，科学家能够间接探测到吸积盘对周围环境产生的影响。
（5）多波段综合观测：结合不同波段（如光学、射电、红外等）的观测数据，科学家可以提高对吸积盘特性的理解和解释能力，从而获得更全面的吸积盘信息。
重大事件
中国
2023年9月，中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所、武汉大学、浙江大学等，利用中国第一颗X射线天文卫星““慧眼”硬X射线调制望远镜”等多台望远镜对黑洞X射线双星MAXI J1820+070的爆发事件开展了多波段观测研究，发现了黑洞喷流的射电辐射和黑洞吸积流外区的光学辐射相对于吸积流内区高温气体（热吸积流）的硬X射线显示出罕见的长时标延迟现象（分别滞后约8天和17天）。该研究首次揭示了黑洞吸积流中磁场运输过程，以及黑洞附近热吸积流中形成磁囚禁盘的完整过程，是对磁囚禁盘理论模型的最直接观测证据，推进对不同量级黑洞吸积的大尺度磁场形成以及喷流供能和加速机制等关键科学问题的认知。9月1日，相关研究成果以《黑洞X射线双星的观测揭示了磁囚禁吸积盘的形成过程》（Observations of a 黑色 hole X-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk）为题，发表在《科学》（Science）上。
美国
2016年6月，耶鲁大学一个研究小组报告称，他们在一个邻近星系中首次直接观测到了超大黑洞冷吸积现象。研究人员表示，这一现象此前仅在理论和计算机模型中出现过，有望为弄清黑洞增长的原因提供新的线索。黑洞对周围气体的吞噬过程被称为“黑洞吸积”，是宇宙中的一个基本物理过程。黑洞周围气体在强引力作用下会一边旋转一边下落，继而形成巨大的 “吸积盘”。根据吸积气体的温度，吸积模型分为冷吸积和热吸积两类。
在研究中，美国耶鲁大学的格兰特·特伦布莱和他的研究团队使用位于智利的阿塔卡玛大型毫米波天线阵（ALMA）对Abell 2597星系团中一个冷气团的位置和运动进行了观测，发现一些大块、寒冷的分子云在向星系中心的一个超大黑洞坠入。研究人员称，该发现和黑洞经典模型的描述存在巨大差异。经典模型认为，黑洞是在热气流的平稳吸入后增长的，而观测到的却是寒冷巨大的分子云。这种超大黑洞的冷吸积现象，此前只在一些理论和计算机模型中出现过，但从未被直接观测到。此外，这一研究还发现，在适当的条件下，密集冷分子云在坠入黑洞时会投射出巨大阴影，黑洞此时则起到了背景灯的作用。
研究人员称，这些研究结果支持了这样一个假说——位于星系中间的超大黑洞可以通过气体吸积增长，这或许为整个星系调控恒星的形成提供了能量。而星系中温暖气体只是一层薄膜，其中包裹着更加寒冷和巨大的分子云。相关论文发表在2016年的一期的《自然》杂志上。
研究价值
吸积是天文学中的一个基本过程，它塑造了天体的演化和宇宙的结构。通过理解吸积的机制与类型，人们能够深入认识行星、恒星及超大质量黑洞的形成与成长。吸积仍然是一个活跃的研究领域，持续的研究和观测正在帮助人们完善对这一基本过程的理解。
参考资料
吸积.中国大百科全书.2025-05-26
Accretion: Understanding the Process.astro22.2025-05-26
吸积盘.中国大百科全书.2025-05-26
What is accretion in astronomy?.clrn.2025-05-26
accretion.vaporia.2025-05-26
天文学家首次获得黑洞磁场囚禁吸积盘形成的观测证据.上海市科学技术委员会.2025-05-26
美首次直接观测到黑洞冷吸积现象.中国科学院.2025-05-31