黑洞也有“吃撐”的時(shí)候

　　中外科學(xué)家揭示黑洞周圍磁囚禁盤形成過(guò)程

　　黑洞可以自由、隨意地吞噬物質(zhì)嗎？9月1日，武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院天文學(xué)系副教授游貝團(tuán)隊(duì)及其合作者在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)發(fā)表了關(guān)于黑洞的最新研究成果，首次揭示了黑洞吸積流中的磁場(chǎng)運(yùn)輸過(guò)程，及磁囚禁盤形成過(guò)程，表明了隨著吞噬物質(zhì)的持續(xù)進(jìn)行，黑洞會(huì)達(dá)到“吃撐”的狀態(tài)。

　　該研究工作由武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、法國(guó)斯特拉斯堡天文臺(tái)、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(dá)地球時(shí)間相差8天

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

　　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)。黑洞及其周圍物質(zhì)組成了酷似紅色“甜甜圈”的萌態(tài)，給人留下深刻印象。

　　物理學(xué)上把黑洞捕獲物質(zhì)的過(guò)程稱為“吸積”，被捕獲的物質(zhì)被稱為“吸積流”。黑洞在吞噬過(guò)程中，它的兩極還會(huì)有強(qiáng)大的噴流射向宇宙空間，被稱為“相對(duì)論噴流”。吸積過(guò)程的粘性，可以使引力能部分轉(zhuǎn)化為輻射能，從而產(chǎn)生多波段輻射被地面、空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)。因此，通過(guò)吸積輻射，黑洞間接地彰顯了自己的存在。對(duì)這些輻射的觀測(cè)也成為研究黑洞的重要途徑。

　　目前，科學(xué)家已在許多雙星系統(tǒng)之中探測(cè)到了恒星級(jí)黑洞的存在。這類雙星系統(tǒng)大部分時(shí)間處在寧?kù)o態(tài)，偶爾進(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，常被稱為黑洞X射線雙星。

　　早在2018年，游貝團(tuán)隊(duì)就關(guān)注到了黑洞X射線雙星MAXI J1820+070發(fā)生的巨大爆發(fā)。通過(guò)分析中國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，游貝團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了逃離黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)向外高速運(yùn)動(dòng)的冕，并且首次在黑洞雙星中觀測(cè)到冕的速度演化。該成果于2021年發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》，游貝是第一作者。

　　在此后的一次學(xué)術(shù)會(huì)議中，游貝獲得了對(duì)黑洞爆發(fā)進(jìn)行多波段輻射觀測(cè)的靈感。再次分析黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的觀測(cè)數(shù)據(jù)，游貝團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)了前所未見(jiàn)的長(zhǎng)時(shí)標(biāo)延遲現(xiàn)象：黑洞噴流的射電輻射滯后于吸積流內(nèi)區(qū)高溫氣體的硬X射線約8天。

　　根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，X射線輻射和噴流的射電輻射都來(lái)自黑洞附近，到達(dá)地球應(yīng)該是同步的，或者僅有非常短的時(shí)間延遲(不到秒量級(jí))。長(zhǎng)時(shí)標(biāo)延遲現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是天體物理學(xué)界觀測(cè)層面的重大突破。

　　“甜甜圈”在變大

　　為什么會(huì)有8天的延滯？

　　游貝團(tuán)隊(duì)研究提出，吸積盤外區(qū)弱磁場(chǎng)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(chǎng)增強(qiáng)越明顯。開(kāi)始時(shí)刻，內(nèi)區(qū)的熱吸積流尚未形成，磁場(chǎng)很弱，噴流幾乎探測(cè)不到。隨著硬X射線達(dá)到峰值時(shí)刻，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(chǎng)，內(nèi)區(qū)磁場(chǎng)增強(qiáng)，噴流已經(jīng)產(chǎn)生。而當(dāng)射電輻射達(dá)到峰值時(shí)刻，內(nèi)區(qū)磁場(chǎng)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。

　　這8天時(shí)間，黑洞周圍會(huì)迅速堆積形成非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。“這證明了冕在膨脹，實(shí)際上是‘甜甜圈’變得更大的過(guò)程，存在‘磁放大效應(yīng)’。”游貝解釋。

　　在黑洞X射線雙星中，伴星物質(zhì)被黑洞引力捕獲，會(huì)旋轉(zhuǎn)著逐漸向黑洞運(yùn)動(dòng)，形成會(huì)發(fā)光的吸積盤結(jié)構(gòu)。吸積盤物質(zhì)在掉入黑洞之前，釋放了黑洞的引力勢(shì)能，使得自身被加熱。當(dāng)被加熱物質(zhì)不能通過(guò)物理過(guò)程釋放能量時(shí)，溫度便隨之增高。高溫物質(zhì)最終會(huì)被電離，形成高溫等離子體，也就是冕。當(dāng)前期黑洞吞噬得越多，物質(zhì)供給下降時(shí)，冷卻作用下降，致使冕發(fā)生膨脹(空間尺度擴(kuò)張)。

　　當(dāng)物質(zhì)旋進(jìn)式墜進(jìn)黑洞時(shí)，包括了徑向速度和環(huán)向速度。其中徑向速度非常慢，由環(huán)向速度占主導(dǎo)，因此物質(zhì)向黑洞內(nèi)拖拽磁力線的效率不高?！按藭r(shí)的冕相當(dāng)于高速公路?！庇呜惤忉?，物質(zhì)在冕中的拖拽磁力線的速度變快，使得磁場(chǎng)快速增強(qiáng)。因此隨著冕的膨脹，“高速公路”變寬，使得黑洞附近磁場(chǎng)迅速增強(qiáng)，對(duì)物質(zhì)的向外磁力作用增強(qiáng)。

　　“饕餮”吃撐了

　　理論認(rèn)為，隨著吸積氣體將外部弱磁場(chǎng)持續(xù)帶入，磁場(chǎng)對(duì)吸積流的向外磁力作用逐漸增強(qiáng)，當(dāng)磁場(chǎng)的向外磁力作用與黑洞的向內(nèi)引力相當(dāng)時(shí)，吸積物質(zhì)便被磁場(chǎng)所囚禁，無(wú)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(guó)際學(xué)界早已成熟的理論模型，被廣泛應(yīng)用于各類天體，成功地解釋了黑洞吸積系統(tǒng)許多復(fù)雜的觀測(cè)現(xiàn)象。然而，學(xué)界一直缺乏磁囚禁盤存在的直接證據(jù)。它是如何形成的，也仍是未解之謎。

　　基于長(zhǎng)時(shí)標(biāo)延遲現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)兩年多的研究，通過(guò)分析X射線觀測(cè)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(chǎng)迅速增強(qiáng)，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(dòng)了”，“我們的成果證明了饕餮確實(shí)會(huì)吃撐，且解釋了饕餮是如何吃撐的。”這是在世界范圍內(nèi)第一次揭示了磁囚禁盤的存在，并成功推算出其形成過(guò)程。該成果在《科學(xué)》的審稿中獲得了國(guó)際學(xué)者的認(rèn)可。

　　值得注意的是，我國(guó)首顆空間天文衛(wèi)星——“慧眼”衛(wèi)星提供的X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究成果的發(fā)現(xiàn)起到了不可或缺的作用。從中國(guó)天眼FAST、“慧眼”衛(wèi)星到即將發(fā)射的“愛(ài)因斯坦探針”衛(wèi)星，越來(lái)越多具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大國(guó)重器投入使用。游貝認(rèn)為，這些都十分有利于我國(guó)天文學(xué)家完成天體物理實(shí)驗(yàn)、獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)，做出更多原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。

　　游貝表示，這項(xiàng)成果將極大程度地對(duì)推進(jìn)不同量級(jí)黑洞吸積盤大尺度磁場(chǎng)形成及噴流加速機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的理解。接下來(lái)，他希望將此成果應(yīng)用到銀河系甚至宇宙中其他黑洞的研究中，探討該物理過(guò)程的普適性及其與黑洞噴流是否相關(guān)等問(wèn)題。

　　黃麗瓏 中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 雷宇 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)