天文學家首次獲得黑洞磁場囚禁吸積盤形成的觀測證據

由中國科學院上海天文台、中國科學院高能物理研究所、武漢大學、浙江大學等國內外研究機構的科研人員利用中國第一顆X射線天文衛星「慧眼」等多台望遠鏡對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的爆發事件開展了多波段觀測研究，發現黑洞噴流的射電輻射和黑洞吸積流外區的光學輻射相對於吸積流內區高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線顯示出罕見的長時標延遲現象，分別滯後約8天和17天。

研究結果首次揭露黑洞吸積流中磁場運輸過程，及黑洞附近熱吸積流中形成磁囚禁盤的完整過程，是對磁囚禁盤理論模型的最直接觀測證據，極大地推進對不同量級黑洞吸積的大尺度磁場形成以及噴流供能和加速機制等關鍵科學問題的理解（上圖）。

黑洞捕獲氣體的過程稱為「吸積」，落向黑洞的氣體則稱為「吸積流」，處在等離子體狀態。吸積流中的粘滯過程能夠有效地釋放重力勢能，其中一部分能量轉化為多波段輻射。這些輻射能夠被地面和太空望遠鏡所觀測到，因此通過觀測吸積氣體的輻射，我們能夠看到黑洞，進而幫助天文學家研究黑洞的性質。2019年，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）合作組織發佈第一張黑洞照片（M87星系中心的超大質量黑洞），讓我們能看到黑洞及其周圍吸積物質。

此外，黑洞周圍還存在著看不見的磁場。黑洞吸積氣體的同時，也會向內拖拽磁場。此前的理論認為，隨著吸積氣體將外部弱磁場持續帶入，越向吸積流內區，磁場越會逐漸增強，磁場對吸積流的向外磁力作用也將逐漸增強，並最終與黑洞的向內重力相抗衡。因此，在靠近黑洞的吸積流內區，當磁場達到一定強度，吸積物質便會受到磁場囚禁，而無法自由地掉入黑洞視界面，即形成磁囚禁盤（Magnetically Arrested Disk，簡稱 MAD）。磁囚禁盤理論已經提出多年，成功地解釋了黑洞吸積的一些觀測現象。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，以及它的磁場輸運機制如何，都是未解之迷。
　　
除了幾乎每個星系中心的超大質量黑洞，宇宙中還存在著更多的恆星級質量黑洞。天文學家已經在銀河系的許多雙星系統中探測到恆星級黑洞的存在，其質量一般是太陽質量的十倍左右。這類黑洞吸積大部分時間處在寧靜態（極其微弱的電磁輻射），偶爾會進入持續數月或者數年的爆發態，產生明亮的X射線。因此，這類雙星系統常稱為黑洞X射線雙星。

研究團隊還觀測到吸積流外區的光學輻射罕見地滯後於熱吸積流的硬X射線輻射約17天。通過對黑洞X射線雙星爆發過程的數值模擬，意外地發現在黑洞爆發即將終止時，由於硬X射線的照射，更多的外區吸積物質會由於不穩定性而加速落向黑洞，致使吸積流外區產生光學閃耀，峰值滯後於熱吸積流的硬X射線峰值約17天。

浙江大學的曹新伍教授指出，由於黑洞吸積物理的普適性，即不同量級黑洞吸積服從相同的物理規律，這項研究成果將推進對不同量級黑洞吸積的大尺度磁場形成以及噴流供能和加速機制等關鍵科學問題的解決。中國科學院上海天文台的閆震研究員進一步表示，預期未來會在更多的黑洞吸積系統中觀測到和MAXI J1820+070相似的現象。

【圖、文：節錄自中國科學院上海天文台網頁；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2023年8月31日出版的《科學》期刊；標題是：Observations of a black hole x-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk