黑洞的吸積磁場研究

[本刊訊] 武漢大學物理科學與技術學院天文系游貝主持的國際團隊關于黑洞吸積磁場的研究取得了最新成果。相關論文“黑洞X射線雙星的觀測揭示了磁囚禁吸積盤的形成過程”發表在2023年9月1日的《科學》上。

黑洞捕獲氣體的過程被稱為“吸積”。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）。黑洞周圍存在磁場，黑洞吸積氣體的同時也會向內拖曳磁場。理論認為，隨著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，并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發展得非常成熟，成功解釋了黑洞吸積系統的許多復雜現象。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磁囚禁盤，但即使EHT對M87極高分辨率觀測仍沒能確認磁囚禁盤的存在。

除了星系中心的超大質量黑洞，宇宙中還存在恒星級黑洞。它們大部分時間處在寧靜態，偶爾會進入持續數月或數年的爆發態，產生明亮的X射線。團隊利用對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發時的多波段觀測數據，其中包括中國第一顆X射線天文衛星慧眼號，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，分別滯后于吸積流內區高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線約8天和17天。研究指出，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射線輻射峰值之后約8天形成磁囚禁盤。

該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，因而成為迄今磁囚禁盤存在的最接近證據。該成果將極大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。

（葛 之）