黑洞的吸积磁场研究

[本刊讯] 武汉大学物理科学与技术学院天文系游贝主持的国际团队关于黑洞吸积磁场的研究取得了最新成果。相关论文“黑洞X射线双星的观测揭示了磁囚禁吸积盘的形成过程”发表在2023年9月1日的《科学》上。

黑洞捕获气体的过程被称为“吸积”。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）。黑洞周围存在磁场，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。磁囚禁盘理论模型已发展得非常成熟，成功解释了黑洞吸积系统的许多复杂现象。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磁囚禁盘，但即使EHT对M87极高分辨率观测仍没能确认磁囚禁盘的存在。

除了星系中心的超大质量黑洞，宇宙中还存在恒星级黑洞。它们大部分时间处在宁静态，偶尔会进入持续数月或数年的爆发态，产生明亮的X射线。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：喷流的射电辐射和吸积流外区的光学辐射，分别滞后于吸积流内区高温氣体（热吸积流）的硬X射线约8天和17天。研究指出，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。

该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，因而成为迄今磁囚禁盘存在的最接近证据。该成果将极大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。

（葛 之）