我國科研人員利用我國首顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”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)。9月1日，《科學》雜志以長文形式發(fā)表了主要基于慧眼衛(wèi)星觀測結果的黑洞吸積磁場的最新研究成果。
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)。而吸積流中的粘滯過程能產生多波段輻射，被地面、空間望遠鏡所觀測到，通過對氣體的吸積，黑洞間接彰顯了自己的存在。
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。黑洞在吸積氣體的同時，也會向內拖曳磁場。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引力相抗衡。此時吸積物質便被磁場所囚禁，無法自由、快速地掉入黑洞視界面，即形成磁囚禁盤。磁囚禁盤理論模型已發(fā)展得非常成熟，成功解釋了黑洞吸積系統(tǒng)的許多復雜觀測現(xiàn)象，但科學家一直沒能取得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謎。
除了星系中心的超大質量黑洞，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，其質量一般是太陽質量的十倍左右。這類雙星大部分時間處在寧靜態(tài)，有極其微弱的電磁輻射，偶爾會進入持續(xù)數(shù)月或者數(shù)年的爆發(fā)態(tài)，產生明亮的X射線。因此，這類雙星系統(tǒng)常被稱為黑洞X射線雙星。
我國科研團隊利用對黑洞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。噴流的射電輻射和吸積流外區(qū)的光學輻射，分別滯后于吸積流內區(qū)高溫氣體的硬X射線約8天和17天。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，他們分析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，以及黑洞附近熱吸積流中形成磁囚禁盤的完整過程，成為迄今為止磁囚禁盤存在的最直接觀測證據(jù)。科研人員表示，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)吸積物質會由于不穩(wěn)定性而加速落向黑洞，致使吸積流外區(qū)產生光學閃耀，峰值滯后于熱吸積流的硬X射線輻射峰值約17天。
引自北京日報2023.9.1版 原地址：https://bj.bjd.com.cn/5b165687a010550e5ddc0e6a/contentShare/5b16573ae4b02a9fe2d558f9/AP64f18b96e4b00547e3de1b14.html?from=appMessage×tamp=1693553053311
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