中國“慧眼”最新發(fā)現(xiàn)！武大天文系領(lǐng)銜團隊黑洞研究立新功！

9月1日，世界權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以長文形式發(fā)表了由武漢大學(xué)天文系游貝領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊關(guān)于黑洞吸積磁場的最新研究成果。論文題目為《黑洞X射線雙星的觀測揭示了磁囚禁吸積盤的形成過程》。

該項研究利用我國首顆空間X射線天文衛(wèi)星慧眼號的觀測數(shù)據(jù)，聯(lián)合地面射電和光學(xué)望遠鏡觀測，發(fā)現(xiàn)了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接觀測證據(jù)。

該論文以武漢大學(xué)為第一署名單位，游貝副教授為第一作者。游貝、浙江大學(xué)曹新伍教授、上海天文臺閆震研究員為共同通訊作者。法國斯特拉斯堡天文臺Jean-Marie Hameury研究員，波蘭理論物理中心Bozena Czerny教授，武漢大學(xué)2017級本科生吳岳、夏天宇，波蘭科學(xué)院哥白尼天文中心Marek Sikora教授、Piotr T. Zycki教授，中國科學(xué)院高能物理研究所張雙南研究員、杜璞研究員為合作者。

黑洞捕獲氣體的物理過程被稱為“吸積”，這種落向黑洞的氣體則被稱為吸積流，其處在等離子體狀態(tài)。吸積流中的黏滯過程能夠有效地釋放其引力勢能，部分地轉(zhuǎn)化為輻射能，產(chǎn)生多波段輻射被地面、空間望遠鏡所觀測到。因此，通過對氣體的吸積，黑洞間接地彰顯了自己的存在。對這些輻射的觀測已成為研究黑洞的重要途徑。

2019年，“事件視界望遠鏡”（EHT）合作組織發(fā)布了人類歷史上第一張黑洞照片（M87），揭開了我們能“看到”的黑洞及其周圍環(huán)境的神秘面紗。然而，在黑洞周圍同樣存在著“看不到”的磁場。黑洞吸積氣體的同時，也會向內(nèi)拖曳磁場。理論認為，隨著吸積氣體將外部弱磁場持續(xù)帶入，吸積流內(nèi)區(qū)磁場會逐漸增強。相應(yīng)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(nèi)引力相抗衡。此時，吸積物質(zhì)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經(jīng)發(fā)展得非常成熟，成功地解釋了黑洞吸積系統(tǒng)的許多復(fù)雜觀測現(xiàn)象。然而，至今還沒有磁囚禁盤存在的直接觀測證據(jù)，磁囚禁盤是如何形成的更是一個未解之謎。多項研究指出M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞周圍可能存在著磁囚禁盤。但是，即使是EHT對M87極高分辨率的觀測，獲得了其黑洞附近磁場信息（位型等），仍然沒能確認磁囚禁盤的存在。

除了星系中心的超大質(zhì)量黑洞，宇宙中還存在著恒星級黑洞。目前，天文學(xué)家已經(jīng)在許多雙星系統(tǒng)之中探測到恒星級黑洞的存在，其質(zhì)量一般是太陽質(zhì)量的十倍左右?？蒲袌F隊利用對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)時的多波段觀測數(shù)據(jù)觀測到前所未見的長時標(biāo)延遲現(xiàn)象：噴流的射電輻射和吸積流外區(qū)的光學(xué)輻射，分別滯后于吸積流內(nèi)區(qū)高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線約8天和17天。科研團隊指出，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。研究團隊通過分析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，因而在硬X射線輻射峰值之后約8天形成磁囚禁盤。

這項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，成為迄今為止，磁囚禁盤存在的最直接觀測證據(jù)。由于物理過程的普適性，這項研究成果將極大地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(guān)鍵科學(xué)問題的理解。

此外，研究團隊通過對黑洞X射線雙星爆發(fā)過程的數(shù)值模擬，第一次揭示了在黑洞吸積即將終止時，由于硬X射線的照射，更多的外區(qū)吸積物質(zhì)會由于不穩(wěn)定性而加速落向黑洞，致使吸積流外區(qū)產(chǎn)生光學(xué)閃耀，峰值滯后于熱吸積流的硬X射線輻射峰值約17天。

中國慧眼號屢立奇功

“慧眼”號是我國首顆空間X射線望遠鏡，是空間科學(xué)先導(dǎo)專項一期收官之作。其命名不僅寓意中國在太空“獨具慧眼”，也是為了紀(jì)念我國女性科學(xué)家何澤慧先生。2017年6月，“慧眼號”硬X射線調(diào)制望遠鏡發(fā)射升空，來到了高度550千米，傾角43°的近地圓軌道。經(jīng)半年多的校驗與測試，2018年1月，“慧眼號”正式交付使用，成為我國科學(xué)家放眼星空、探索宇宙的利器，也成為世界上測量頻譜范圍最廣，分辨本領(lǐng)最強的X射線調(diào)制望遠鏡。

截至2019年6月30日，“慧眼”對銀道面掃描1000多次，監(jiān)測并公布了600多個X射線源的長期流量變化；對60多個各類X射線天體進行了定點觀測，在中子星磁場測量、黑洞吸積準(zhǔn)周期振蕩和中子星熱核暴等方面的硬X射線觀測研究中取得了重要進展；探測到170多個伽馬暴；脈沖星導(dǎo)航定軌精度達到國際最好水平。

2020年以來，慧眼號的多項發(fā)現(xiàn)驚艷世界。2021年2月，“慧眼”衛(wèi)星確認編號為FRB 200428的快速射電暴相關(guān)聯(lián)的X射線暴來自銀河系內(nèi)編號為SGR J1935+2154的磁星，并在國際上首先證認該X射線暴包含的兩個X射線脈沖是快速射電暴的高能對應(yīng)體。2022年8月，“慧眼”（HXMT/Insight）科學(xué)團隊直接探測到宇宙中最強磁場，比此前NASA“羅西X射線時變探測者”（RXTE）保持的最強磁場測量結(jié)果紀(jì)錄提高約60%。

綜合來源：武漢大學(xué)、央視新聞、數(shù)字北京科學(xué)中心、科技日報、國家空間科學(xué)中心等