2023年9月1日，Science（《科學(xué)》）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(xiàng)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(xué)望遠(yuǎn)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(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院上海天文臺、中國科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、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(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)，也會向內(nèi)拖曳磁場。理論認(rèn)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(qiáng)。相應(yīng)地，磁場對吸積流的向外磁力作用也將逐漸增強(qiáng)，并最終與黑洞的向內(nèi)引力相抗衡。此時(shí)，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(fù)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(gè)未解之迷。多項(xiàng)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(rèn)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(xué)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(shí)間處在寧靜態(tài)（極其微弱的電磁輻射），而偶爾會進(jìn)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(tuán)隊(duì)利用對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)時(shí)的多波段觀測數(shù)據(jù)觀測到前所未見的長時(shí)標(biāo)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(xué)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(tuán)隊(duì)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(qiáng)，吸積流徑向尺度越大磁場增強(qiáng)越明顯。研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)，因而在硬X射線輻射峰值之后約8天形成磁囚禁盤。
這項(xiàng)工作第一次揭示了吸積流中的磁場輸運(yùn)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(xiàng)研究成果將極大地推進(jìn)對不同量級黑洞吸積盤大尺度磁場形成及噴流加速機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題的理解。
此外，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(xué)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(xué)游貝為第一作者，武漢大學(xué)游貝、浙江大學(xué)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(xué)院高能物理研究所張雙南研究員、杜璞研究員為共同作者。該研究得到了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會，上海天文臺重點(diǎn)培育項(xiàng)目，湖北省自然科學(xué)基金，小米基金的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abo4504
圖1: 左下小方框中的紅色圓點(diǎn)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(gè)恒星（藍(lán)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(lán)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(shí)間的變化，顯示出8天的延遲。（武漢大學(xué)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(shí)間的變化，其中橙色圓點(diǎn)是熱吸積流的硬X射線；B（中圖）是噴流的射電輻射隨時(shí)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(xué)輻射隨時(shí)間變化，其中橙色圓點(diǎn)是扣除整體下降趨勢后呈現(xiàn)的光學(xué)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(yīng)于圖2開始時(shí)刻的狀態(tài)，此時(shí)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(yīng)于硬X射線峰值時(shí)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(yùn)磁場，內(nèi)區(qū)磁場增強(qiáng)，噴流已經(jīng)產(chǎn)生；C（下圖）對應(yīng)于射電輻射峰值時(shí)刻的狀態(tài)，內(nèi)區(qū)磁場強(qiáng)度達(dá)到磁囚禁盤的水平，噴流的射電輻射也達(dá)到了峰值。（供圖：游貝）
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