關於黑洞，中國“慧眼”又有新發現

9月1日，《科學》以長文形式發表了主要基於慧眼衞星觀測結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射線天文衞星慧眼號的觀測數據，聯合地面射電和光學望遠鏡觀測，發現了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接觀測證據。該研究工作由武漢大學、浙江大學、中國科學院上海天文台、中國科學院高能物理研究所、南京大學、中國科學技術大學、法國斯特拉斯堡天文台、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。吸積流中的黏滯過程能夠有效地釋放其引力勢能，部分地轉化為輻射能，產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）合作組織發佈了人類歷史上第一張黑洞照片（M87），揭開了我們能“看到”的黑洞及其周圍環境的神秘面紗。然而，在黑洞周圍同樣存在着“看不到”的磁場。黑洞吸積氣體的同時，也會向內拖曳磁場。

理論認為，隨着吸積氣體將外部弱磁場持續帶入，吸積流內區磁場會逐漸增強。相應地，磁場對吸積流的向外磁力作用也將逐漸增強，並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，而無法自由地、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經發展得非常成熟，成功地解釋了黑洞吸積系統的許多複雜觀測現象。

然而，至今還沒有磁囚禁盤存在的直接觀測證據，磁囚禁盤是如何形成的更是一個未解之謎。多項研究指出M87星系中心的超大質量黑洞周圍可能存在着磁囚禁盤。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量黑洞，宇宙中還存在着恆星級黑洞。目前，天文學家已經在許多雙星系統之中探測到恆星級黑洞的存在，其質量一般是太陽質量的十倍左右。科研團隊利用對黑洞X射線雙星MAXIJ1820+070爆發時的多波段觀測數據觀測到前所未見的長時標延遲現象：噴流的射電輻射和吸積流外區的光學輻射，分別滯後於吸積流內區高温氣體（熱吸積流）的硬X射線約8天和17天。

科研團隊指出，吸積盤外區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射線觀測數據發現：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射線輻射峯值之後約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。由於物理過程的普適性，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射線雙星爆發過程的數值模擬，第一次揭示了在黑洞吸積即將終止時，由於硬X射線的照射，更多的外區吸積物質會由於不穩定性而加速落向黑洞，致使吸積流外區產生光學閃耀，峯值滯後於熱吸積流的硬X射線輻射峯值約17天。

（總枱央視記者 帥俊全 褚爾嘉）