中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 據(jù)中國科學院高能物理研究所網(wǎng)站消息，2023年9月1日，Science（《科學》）以長文（Article）形式發(fā)表了主要基于慧眼衛(wèi)星觀測結(jié)果的黑洞吸積磁場的最新研究成果。該項研究利用我國首顆空間X射線天文衛(wèi)星慧眼號的觀測數(shù)據(jù)，聯(lián)合地面射電和光學望遠鏡觀測，發(fā)現(xiàn)了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接觀測證據(jù)。
該研究工作由武漢大學、浙江大學、中國科學院上海天文臺、中國科學院高能物理研究所、南京大學、中國科學技術(shù)大學、法國斯特拉斯堡天文臺、波蘭理論物理中心等單位共同完成。
黑洞捕獲氣體的物理過程被稱為“吸積”，這種落向黑洞的氣體則被稱為吸積流，其處在等離子體狀態(tài)。吸積流中的粘滯過程能夠有效地釋放其引力勢能，部分地轉(zhuǎn)化為輻射能，產(chǎn)生多波段輻射被地面、空間望遠鏡所觀測到。因此，通過對氣體的吸積，黑洞間接地彰顯了自己的存在。對這些輻射的觀測已成為研究黑洞的重要途徑。
2019年，“事件視界望遠鏡”（EHT）合作組織發(fā)布了人類歷史上第一張黑洞照片（M87），揭開了我們能“看到”的黑洞及其周圍環(huán)境的神秘面紗。然而，在黑洞周圍同樣存在著“看不到”的磁場。黑洞吸積氣體的同時，也會向內(nèi)拖曳磁場。理論認為，隨著吸積氣體將外部弱磁場持續(xù)帶入，吸積流內(nèi)區(qū)磁場會逐漸增強。相應地，磁場對吸積流的向外磁力作用也將逐漸增強，并最終與黑洞的向內(nèi)引力相抗衡。此時，吸積物質(zhì)便被磁場所囚禁，而無法自由地、快速地掉入黑洞視界面，即形成磁囚禁盤（Magnetically Arrested Disk; MAD）。磁囚禁盤理論模型已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，成功地解釋了黑洞吸積系統(tǒng)的許多復雜觀測現(xiàn)象。然而，至今還沒有磁囚禁盤存在的直接觀測證據(jù)，磁囚禁盤是如何形成的更是一個未解之迷。多項研究指出M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞周圍可能存在著磁囚禁盤。但是，即使是EHT對M87極高分辨率的觀測，獲得了其黑洞附近磁場信息（位型等），仍然沒能確認磁囚禁盤的存在。
除了星系中心的超大質(zhì)量黑洞，宇宙中還存在著恒星級黑洞。目前，天文學家已經(jīng)在許多雙星系統(tǒng)之中探測到恒星級黑洞的存在，其質(zhì)量一般是太陽質(zhì)量的十倍左右。這類雙星大部分時間處在寧靜態(tài)（極其微弱的電磁輻射），而偶爾會進入持續(xù)數(shù)月或者數(shù)年的爆發(fā)態(tài)，產(chǎn)生明亮的X射線。因此，這類雙星系統(tǒng)常被稱為黑洞X射線雙星?？蒲袌F隊利用對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)時的多波段觀測數(shù)據(jù)觀測到前所未見的長時標延遲現(xiàn)象：噴流的射電輻射（圖2B，來自AMI-LA觀測）和吸積流外區(qū)的光學輻射（圖2C，來自AAVSO觀測），分別滯后于吸積流內(nèi)區(qū)高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線（圖2A，來自慧眼衛(wèi)星觀測）約8天和17天?？蒲袌F隊指出，吸積盤外區(qū)弱磁場被黑洞周圍熱吸積流帶入而增強，吸積流徑向尺度越大磁場增強越明顯。研究團隊通過分析X射線觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：硬X射線輻射隨吸積率減小而下降，而熱吸積流徑向尺度隨吸積率下降而快速膨脹，使得黑洞附近磁場迅速增強，因而在硬X射線輻射峰值之后約8天形成磁囚禁盤。
這項工作第一次揭示了吸積流中的磁場輸運過程，及黑洞附近熱吸積流中形成磁囚禁盤的完整過程。因而，成為迄今為止，磁囚禁盤存在的最直接觀測證據(jù)。由于物理過程的普適性，這項研究成果將極大地推進對不同量級黑洞吸積盤大尺度磁場形成及噴流加速機制等關鍵科學問題的理解。
此外，研究團隊通過對黑洞X射線雙星爆發(fā)過程的數(shù)值模擬，第一次揭示了在黑洞吸積即將終止時，由于硬X射線的照射，更多的外區(qū)吸積物質(zhì)會由于不穩(wěn)定性而加速落向黑洞，致使吸積流外區(qū)產(chǎn)生光學閃耀，峰值滯后于熱吸積流的硬X射線輻射峰值約17天。
武漢大學游貝為第一作者，武漢大學游貝、浙江大學曹新伍教授和上海天文臺閆震研究員為共同通訊作者，中國科學院高能物理研究所張雙南研究員、杜璞研究員為共同作者。
圖1: 左下小方框中的紅色圓點表示黑洞X射線雙星MAXI J1820+070在銀河系中的大致位置，右側(cè)放大圖是黑洞X射線雙星的藝術(shù)想象圖，一個恒星（藍色）圍繞黑洞繞轉(zhuǎn)，它的物質(zhì)被黑洞吸引形成吸積盤（黃色），中心區(qū)域形成了磁場囚禁吸積盤（淺藍色曲線表示磁場）和兩側(cè)的噴流（亮紫色）。左上小圖展示了觀測到的噴流的射電輻射和吸積流內(nèi)區(qū)的X射線隨時間的變化，顯示出8天的延遲。（武漢大學游貝供圖）。
圖2: 黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的多波段光變。A（上圖）是X射線輻射隨時間的變化，其中橙色圓點是熱吸積流的硬X射線；B（中圖）是噴流的射電輻射隨時間的變化，可見其峰值滯后硬X射線約8天；C（下圖）是吸積盤外區(qū)的光學輻射隨時間變化，其中橙色圓點是扣除整體下降趨勢后呈現(xiàn)的光學輻射的峰，滯后于硬X射線約17天。
圖3: 吸積流、磁場、噴流演化的示意圖。A（上圖）對應于圖2開始時刻的狀態(tài)，此時內(nèi)區(qū)的熱吸積流（ADAF）尚未形成，磁場很弱，噴流幾乎探測不到；B（中圖）對應于硬X射線峰值時刻的狀態(tài)，熱吸積流已經(jīng)形成，并且快速膨脹向內(nèi)區(qū)輸運磁場，內(nèi)區(qū)磁場增強，噴流已經(jīng)產(chǎn)生；C（下圖）對應于射電輻射峰值時刻的狀態(tài)，內(nèi)區(qū)磁場強度達到磁囚禁盤的水平，噴流的射電輻射也達到了峰值。（供圖：游貝）
引自中國網(wǎng)2023.9.1版 原地址：http://ydyl.china.com.cn/2023-09/01/content_110744498.shtml
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