中国慧眼卫星联合地面观测揭示黑洞周围磁囚禁吸积盘形成过程

9月1日，《科学》以长文形式发表了主要基于慧眼卫星观测结果的黑洞吸积磁场的最新研究成果。

该项研究利用我国首颗空间X射线天文卫星慧眼号的观测数据，联合地面射电和光学望远镜观测，发现了黑洞周围磁囚禁吸积盘形成过程的直接观测证据。

该研究工作由武汉大学、浙江大学、中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、法国斯特拉斯堡天文台、波兰理论物理中心等单位共同完成。

黑洞捕获气体的物理过程被称为吸积，这种落向黑洞的气体则被称为吸积流，其处在等离子体状态。

吸积流中的黏滞过程能够有效地释放其引力势能，部分地转化为辐射能，产生多波段辐射被地面、空间望远镜所观测到。

因此，通过对气体的吸积，黑洞间接地彰显了自己的存在。

对这些辐射的观测已成为研究黑洞的重要途径。

2019年，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布了人类历史上第一张黑洞照片（M87），揭开了我们能看到的黑洞及其周围环境的神秘面纱。

然而，在黑洞周围同样存在着看不到的磁场。

黑洞吸积气体的同时，也会向内拖曳磁场。

理论认为，随着吸积气体将外部弱磁场持续带入，吸积流内区磁场会逐渐增强。

相应地，磁场对吸积流的向外磁力作用也将逐渐增强，并最终与黑洞的向内引力相抗衡。

此时，吸积物质便被磁场所囚禁，而无法自由地、快速地掉入黑洞视界面，即形成磁囚禁盘。

磁囚禁盘理论模型已经发展得非常成熟，成功地解释了黑洞吸积系统的许多复杂观测现象。

然而，至今还没有磁囚禁盘存在的直接观测证据，磁囚禁盘是如何形成的更是一个未解之谜。

多项研究指出M87星系中心的超大质量黑洞周围可能存在着磁囚禁盘。

但是，即使是EHT对M87极高分辨率的观测，获得了其黑洞附近磁场信息（位型等），仍然没能确认磁囚禁盘的存在。

除了星系中心的超大质量黑洞，宇宙中还存在着恒星级黑洞。

目前，天文学家已经在许多双星系统之中探测到恒星级黑洞的存在，其质量一般是太阳质量的十倍左右。

科研团队利用对黑洞X射线双星MAXI J1820+070爆发时的多波段观测数据观测到前所未见的长时标延迟现象：喷流的射电辐射和吸积流外区的光学辐射，分别滞后于吸积流内区高温气体（热吸积流）的硬X射线约8天和17天。

科研团队指出，吸积盘外区弱磁场被黑洞周围热吸积流带入而增强，吸积流径向尺度越大磁场增强越明显。

研究团队通过分析X射线观测数据发现：硬X射线辐射随吸积率减小而下降，而热吸积流径向尺度随吸积率下降而快速膨胀，使得黑洞附近磁场迅速增强，因而在硬X射线辐射峰值之后约8天形成磁囚禁盘。

这项工作第一次揭示了吸积流中的磁场输运过程，及黑洞附近热吸积流中形成磁囚禁盘的完整过程。

因而，成为迄今为止，磁囚禁盘存在的最直接观测证据。

由于物理过程的普适性，这项研究成果将极大地推进对不同量级黑洞吸积盘大尺度磁场形成及喷流加速机制等关键科学问题的理解。

此外，研究团队通过对黑洞X射线双星爆发过程的数值模拟，第一次揭示了在黑洞吸积即将终止时，由于硬X射线的照射，更多的外区吸积物质会由于不稳定性而加速落向黑洞，致使吸积流外区产生光学闪耀，峰值滞后于热吸积流的硬X射线辐射峰值约17天。

（总台央视记者 帅俊全 褚尔嘉）