黑洞也有“吃撐”的時候

　　中外科學(xué)家揭示黑洞周圍磁囚禁盤形成過程

　　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)隊及其合作者在國際學(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運輸過程，及磁囚禁盤形成過程，表明了隨著吞噬物質(zhì)的持續(xù)進(jìn)行，黑洞會達(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。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(zhì)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(zhì)，包括光，因此無法直接觀測黑洞本身。

　　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)的過程稱為“吸積”，被捕獲的物質(zhì)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(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。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(xué)家已在許多雙星系統(tǒng)之中探測到了恒星級黑洞的存在。這類雙星系統(tǒng)大部分時間處在寧靜態(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)。通過分析中國第一顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”號的觀測數(shù)據(jù)，游貝團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)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(fā)表于國際學(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)會議中，游貝獲得了對黑洞爆發(fā)進(jìn)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(shù)據(jù)，游貝團(tuán)隊意外發(fā)現(xiàn)了前所未見的長時標(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，X射線輻射和噴流的射電輻射都來自黑洞附近，到達(dá)地球應(yīng)該是同步的，或者僅有非常短的時間延遲(不到秒量級)。長時標(biāo)延遲現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是天體物理學(xué)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(tuán)隊研究提出，吸積盤外區(qū)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(nèi)區(qū)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(dá)到峰值時刻，熱吸積流已經(jīng)形成，并且快速膨脹向內(nèi)區(qū)輸運磁場，內(nèi)區(qū)磁場增強，噴流已經(jīng)產(chǎn)生。而當(dāng)射電輻射達(dá)到峰值時刻，內(nèi)區(qū)磁場強度達(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(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，會旋轉(zhuǎn)著逐漸向黑洞運動，形成會發(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能，使得自身被加熱。當(dāng)被加熱物質(zhì)不能通過物理過程釋放能量時，溫度便隨之增高。高溫物質(zhì)最終會被電離，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，冷卻作用下降，致使冕發(fā)生膨脹(空間尺度擴張)。

　　當(dāng)物質(zhì)旋進(jìn)式墜進(jìn)黑洞時，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。“此時的冕相當(dāng)于高速公路。”游貝解釋，物質(zhì)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(zhì)的向外磁力作用增強。

　　“饕餮”吃撐了

　　理論認(rèn)為，隨著吸積氣體將外部弱磁場持續(xù)帶入，磁場對吸積流的向外磁力作用逐漸增強，當(dāng)磁場的向外磁力作用與黑洞的向內(nèi)引力相當(dāng)時，吸積物質(zhì)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(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。

　　基于長時標(biāo)延遲現(xiàn)象，研究團(tuán)隊經(jīng)過兩年多的研究，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，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(nèi)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(xué)》的審稿中獲得了國際學(xué)者的認(rèn)可。

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

　　游貝表示，這項成果將極大程度地對推進(jìn)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(guān)鍵科學(xué)問題的理解。接下來，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，探討該物理過程的普適性及其與黑洞噴流是否相關(guān)等問題。

　　黃麗瓏 中青報·中青網(wǎng)記者 雷宇 來源：中國青年報