黑洞也有“吃撐”的時候 中外科學家揭示黑洞周圍磁囚禁盤形成過程

游貝（中）和團隊成員合影。本文圖片均由武漢大學物理科學與技術學院游貝團隊提供

成果中文海報

黑洞可以自由、隨意地吞噬物質嗎？9月1日，武漢大學物理科學與技術學院天文學系副教授游貝團隊及其合作者在國際學術期刊《科學》（Science）發表了關于黑洞的最新研究成果，首次揭示了黑洞吸積流中的磁場運輸過程，及磁囚禁盤形成過程，表明了隨著吞噬物質的持續進行，黑洞會達到“吃撐”的狀態。

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。游貝是該成果論文的通訊作者之一。

同一黑洞的兩種輻射到達地球時間相差8天

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，可以通過某些恒星死亡形成，如質量特別大的恒星坍縮。它擁有極強的引力場，能捕獲任何靠近它的物質，包括光，因此無法直接觀測黑洞本身。

2019年，“事件視界望遠鏡”（EHT）合作組織發布了人類歷史上第一張黑洞照片（M87）。黑洞及其周圍物質組成了酷似紅色“甜甜圈”的萌態，給人留下深刻印象。

物理學上把黑洞捕獲物質的過程稱為“吸積”，被捕獲的物質被稱為“吸積流”。黑洞在吞噬過程中，它的兩極還會有強大的噴流射向宇宙空間，被稱為“相對論噴流”。吸積過程的粘性，可以使引力能部分轉化為輻射能，從而產生多波段輻射被地面、空間望遠鏡觀測。因此，通過吸積輻射，黑洞間接地彰顯了自己的存在。對這些輻射的觀測也成為研究黑洞的重要途徑。

目前，科學家已在許多雙星系統之中探測到了恒星級黑洞的存在。這類雙星系統大部分時間處在寧靜態，偶爾進入持續數月或者數年的爆發態，產生明亮的X射線，因此，常被稱為黑洞X射線雙星。

早在2018年，游貝團隊就關注到了黑洞X射線雙星MAXI J1820+070發生的巨大爆發。通過分析中國第一顆X射線天文衛星“慧眼”號的觀測數據，游貝團隊發現了逃離黑洞強引力場向外高速運動的冕，并且首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化。該成果于2021年發表于國際學術期刊《自然·通訊》，游貝是第一作者。

在此后的一次學術會議中，游貝獲得了對黑洞爆發進行多波段輻射觀測的靈感。再次分析黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的觀測數據，游貝團隊意外發現了前所未見的長時標延遲現象：黑洞噴流的射電輻射滯后于吸積流內區高溫氣體的硬X射線約8天。

根據以往的經驗，X射線輻射和噴流的射電輻射都來自黑洞附近，到達地球應該是同步的，或者僅有非常短的時間延遲（不到秒量級）。長時標延遲現象的發現，是天體物理學界觀測層面的重大突破。

“甜甜圈”在變大

為什么會有8天的延滯？

游貝團隊研究提出，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。開始時刻，內區的熱吸積流尚未形成，磁場很弱，噴流幾乎探測不到。隨著硬X射線達到峰值時刻，熱吸積流已經形成，并且快速膨脹向內區輸運磁場，內區磁場增強，噴流已經產生。而當射電輻射達到峰值時刻，內區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。

這8天時間，黑洞周圍會迅速堆積形成非常強的磁場。“這證明了冕在膨脹，實際上是‘甜甜圈’變得更大的過程，存在‘磁放大效應’。”游貝解釋。

在黑洞X射線雙星中，伴星物質被黑洞引力捕獲，會旋轉著逐漸向黑洞運動，形成會發光的吸積盤結構。吸積盤物質在掉入黑洞之前，釋放了黑洞的引力勢能，使得自身被加熱。當被加熱物質不能通過物理過程釋放能量時，溫度便隨之增高。高溫物質最終會被電離，形成高溫等離子體，也就是冕。當前期黑洞吞噬得越多，物質供給下降時，冷卻作用下降，致使冕發生膨脹（空間尺度擴張）。

當物質旋進式墜進黑洞時，包括了徑向速度和環向速度。其中徑向速度非常慢，由環向速度占主導，因此物質向黑洞內拖拽磁力線的效率不高。“此時的冕相當于高速公路。”游貝解釋，物質在冕中的拖拽磁力線的速度變快，使得磁場快速增強。因此隨著冕的膨脹，“高速公路”變寬，使得黑洞附近磁場迅速增強，對物質的向外磁力作用增強。

“饕餮”吃撐了

理論認為，隨著吸積氣體將外部弱磁場持續帶入，磁場對吸積流的向外磁力作用逐漸增強，當磁場的向外磁力作用與黑洞的向內引力相當時，吸積物質便被磁場所囚禁，無法自由地、快速地掉入黑洞視界面，即形成磁囚禁盤。

磁囚禁盤是國際學界早已成熟的理論模型，被廣泛應用于各類天體，成功地解釋了黑洞吸積系統許多復雜的觀測現象。然而，學界一直缺乏磁囚禁盤存在的直接證據。它是如何形成的，也仍是未解之謎。

基于長時標延遲現象，研究團隊經過兩年多的研究，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，在硬X射線輻射峰值之后約8天形成磁囚禁盤。

游貝介紹，黑洞在早期可以“隨便吃”，就像饕餮，但它吃到一定程度就“吃不動了”，“我們的成果證明了饕餮確實會吃撐，且解釋了饕餮是如何吃撐的。”這是在世界范圍內第一次揭示了磁囚禁盤的存在，并成功推算出其形成過程。該成果在《科學》的審稿中獲得了國際學者的認可。

值得注意的是，我國首顆空間天文衛星——“慧眼”衛星提供的X射線觀測數據對研究成果的發現起到了不可或缺的作用。從中國天眼FAST、“慧眼”衛星到即將發射的“愛因斯坦探針”衛星，越來越多具有我國自主知識產權的大國重器投入使用。游貝認為，這些都十分有利于我國天文學家完成天體物理實驗、獲得觀測數據，做出更多原創性發現。

游貝表示，這項成果將極大程度地對推進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。接下來，他希望將此成果應用到銀河系甚至宇宙中其他黑洞的研究中，探討該物理過程的普適性及其與黑洞噴流是否相關等問題。

黃麗瓏 記者 雷宇

來源：中國青年報