黑洞也会“吃撑”！中外科学家揭示黑洞周围磁囚禁盘形成过程

黑洞也有“吃撑”的时候

中外科学家揭示黑洞周围磁囚禁盘形成过程

黑洞可以自由、随意地吞噬物质吗？9月1日，武汉大学物理科学与技术学院天文学系副教授游贝团队及其合作者在国际学术期刊《科学》发表了关于黑洞的最新研究成果，首次揭示了黑洞吸积流中的磁场运输过程，及磁囚禁盘形成过程，表明了随着吞噬物质的持续进行，黑洞会达到“吃撑”的状态。

该研究工作由武汉大学、浙江大学、中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、法国斯特拉斯堡天文台、波兰理论物理中心等单位共同完成。游贝是该成果论文的通讯作者之一。

同一黑洞的两种辐射到达地球时间相差8天

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，可以通过某些恒星死亡形成，如质量特别大的恒星坍缩。它拥有极强的引力场，能捕获任何靠近它的物质，包括光，因此无法直接观测黑洞本身。

2019年，“事件视界望远镜”合作组织发布了人类历史上第一张黑洞照片。黑洞及其周围物质组成了酷似红色“甜甜圈”的萌态，给人留下深刻印象。

物理学上把黑洞捕获物质的过程称为“吸积”，被捕获的物质被称为“吸积流”。黑洞在吞噬过程中，它的两极还会有强大的喷流射向宇宙空间，被称为“相对论喷流”。吸积过程的粘性，可以使引力能部分转化为辐射能，从而产生多波段辐射被地面、空间望远镜观测。因此，通过吸积辐射，黑洞间接地彰显了自己的存在。对这些辐射的观测也成为研究黑洞的重要途径。

目前，科学家已在许多双星系统之中探测到了恒星级黑洞的存在。这类双星系统大部分时间处在宁静态，偶尔进入持续数月或者数年的爆发态，产生明亮的X射线，因此，常被称为黑洞X射线双星。

早在2018年，游贝团队就关注到了黑洞X射线双星MAXIJ1820+070发生的巨大爆发。通过分析中国第一颗X射线天文卫星“慧眼”号的观测数据，游贝团队发现了逃离黑洞强引力场向外高速运动的冕，并且首次在黑洞双星中观测到冕的速度演化。该成果于2021年发表于国际学术期刊《自然·通讯》，游贝是第一作者。

在此后的一次学术会议中，游贝获得了对黑洞爆发进行多波段辐射观测的灵感。再次分析黑洞X射线双星MAXIJ1820+070的观测数据，游贝团队意外发现了前所未见的长时标延迟现象：黑洞喷流的射电辐射滞后于吸积流内区高温气体的硬X射线约8天。

根据以往的经验，X射线辐射和喷流的射电辐射都来自黑洞附近，到达地球应该是同步的，或者仅有非常短的时间延迟。长时标延迟现象的发现，是天体物理学界观测层面的重大突破。

“甜甜圈”在变大

为什么会有8天的延滞？

游贝团队研究提出，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。开始时刻，内区的热吸积流尚未形成，磁场很弱，喷流几乎探测不到。随着硬X射线达到峰值时刻，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。而当射电辐射达到峰值时刻，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。

这8天时间，黑洞周围会迅速堆积形成非常强的磁场。“这证明了冕在膨胀，实际上是‘甜甜圈’变得更大的过程，存在‘磁放大效应’。”游贝解释。

在黑洞X射线双星中，伴星物质被黑洞引力捕获，会旋转着逐渐向黑洞运动，形成会发光的吸积盘结构。吸积盘物质在掉入黑洞之前，释放了黑洞的引力势能，使得自身被加热。当被加热物质不能通过物理过程释放能量时，温度便随之增高。高温物质最终会被电离，形成高温等离子体，也就是冕。当前期黑洞吞噬得越多，物质供给下降时，冷却作用下降，致使冕发生膨胀。

当物质旋进式坠进黑洞时，包括了径向速度和环向速度。其中径向速度非常慢，由环向速度占主导，因此物质向黑洞内拖拽磁力线的效率不高。“此时的冕相当于高速公路。”游贝解释，物质在冕中的拖拽磁力线的速度变快，使得磁场快速增强。因此随着冕的膨胀，“高速公路”变宽，使得黑洞附近磁场迅速增强，对物质的向外磁力作用增强。

“饕餮”吃撑了

理论认为，随着吸积气体将外部弱磁场持续带入，磁场对吸积流的向外磁力作用逐渐增强，当磁场的向外磁力作用与黑洞的向内引力相当时，吸积物质便被磁场所囚禁，无法自由地、快速地掉入黑洞视界面，即形成磁囚禁盘。

磁囚禁盘是国际学界早已成熟的理论模型，被广泛应用于各类天体，成功地解释了黑洞吸积系统许多复杂的观测现象。然而，学界一直缺乏磁囚禁盘存在的直接证据。它是如何形成的，也仍是未解之谜。

基于长时标延迟现象，研究团队经过两年多的研究，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，在硬X射线辐射峰值之后约8天形成磁囚禁盘。

游贝介绍，黑洞在早期可以“随便吃”，就像饕餮，但它吃到一定程度就“吃不动了”，“我们的成果证明了饕餮确实会吃撑，且解释了饕餮是如何吃撑的。”这是在世界范围内第一次揭示了磁囚禁盘的存在，并成功推算出其形成过程。该成果在《科学》的审稿中获得了国际学者的认可。

值得注意的是，我国首颗空间天文卫星——“慧眼”卫星提供的X射线观测数据对研究成果的发现起到了不可或缺的作用。从中国天眼FAST、“慧眼”卫星到即将发射的“爱因斯坦探针”卫星，越来越多具有我国自主知识产权的大国重器投入使用。游贝认为，这些都十分有利于我国天文学家完成天体物理实验、获得观测数据，做出更多原创性发现。

游贝表示，这项成果将极大程度地对推进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。接下来，他希望将此成果应用到银河系甚至宇宙中其他黑洞的研究中，探讨该物理过程的普适性及其与黑洞喷流是否相关等问题。