武大团队发Science揭示黑洞如何吞噬磁场

9月1日，Science（《科学》）以长文（Article）形式发表了由武汉大学天文系游贝领导的国际团队关于黑洞吸积磁场的最新研究成果。论文题目为“Observations of a black hole X-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk”（《黑洞X射线双星的观测揭示了磁囚禁吸积盘的形成过程》）。

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武汉大学为第一署名单位，游贝副教授为第一作者。游贝、浙江大学曹新伍教授、上海天文台闫震研究员为共同通讯作者。法国斯特拉斯堡天文台Jean-Marie Hameury研究员，波兰理论物理中心Bozena Czerny教授，武汉大学2017级本科生吴岳、夏天宇，波兰科学院哥白尼天文中心Marek Sikora教授、Piotr T. Zycki教授，中国科学院高能物理研究所张双南研究员、杜璞研究员为合作者。

从左到右：夏天宇（2017级本科生）、游贝、吴岳（2017级本科生）

图1:黑洞x射线双星MAXI J1820+070的多波段光变

图解：左下小方框中的红色圆点表示黑洞X射线双星MAXI J1820+070在银河系中的大致位置。右侧放大图是黑洞X射线双星的艺术想象图，一个恒星（蓝色）围绕黑洞绕转，它的物质被黑洞吸引形成吸积盘（黄色），中心区域形成了磁场囚禁吸积盘（浅蓝色曲线表示磁场）和两侧的喷流（亮紫色），左上小图展示了观测到的喷流的射电辐射和吸积流内区的X射线随时间的变化，显示出8天的延迟。

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。吸积流中的粘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（Magnetically Arrested Disk; MAD）。

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。

图2:黑洞x射线双星MAXI J1820+070的多波段光变

A（上图）是X射线辐射随时间的变化，其中橙色圆点是热吸积流的硬X射线。

B（中图）是喷流的射电辐射随时间的变化，可见其峰值滞后硬X射线约8天。

C（下图）是吸积盘外区的光学辐射随时间变化，其中橙色圆点是扣除整体下降趋势后呈现的光学辐射的峰，滞后于硬X射线约17天。

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。这类双星大部分时间处在宁静态（极其微弱的电磁辐射），而偶尔会进入持续数月或者数年的爆发态，产生明亮的X射线。因此，这类双星系统常被称为黑洞X射线双星。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，其中包括中国第一颗X射线天文卫星慧眼号，观测到前所未见的长时标延迟现象：喷流的射电辐射（图2B）和吸积流外区的光学辐射（图2C），分别滞后于吸积流内区高温气体（热吸积流）的硬X射线（图2A）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。

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吸积流、磁场、喷流演化的示意图

A（上图）对应于图2开始时刻的状态，此时内区的热吸积流（ADAF）尚未形成，磁场很弱，喷流几乎探测不到。

B（中图）对应于硬X射线峰值时刻的状态，热吸积流已经形成，并且快速膨胀向内区输运磁场，内区磁场增强，喷流已经产生。

C（下图）对应于射电辐射峰值时刻的状态，内区磁场强度达到磁囚禁盘的水平，喷流的射电辐射也达到了峰值。

该研究得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国科学院青年创新促进会、上海天文台重点培育项目、湖北省自然科学基金、小米基金的支持。

游贝课题组长期从事黑洞天体物理的探索，基于天文多波段观测和数值模拟，研究黑洞吸积、相对论喷流等天文学课题。

课题组曾于2021年在Nature Communications (《自然·通讯》)发表了关于黑洞吸积的研究成果，论文题为“Insight-HXMT observations of jet-like corona in a black hole X-ray binary MAXI J1820+070”(https://www.nature.com/articles/s41467-021-21169-5)，游贝副教授为第一作者。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4504

（原标题：黑洞如何吞噬磁场？武大天文系《Science》发文告诉你）