近日，中國科學(xué)院上海天文臺、中國科學(xué)院高能物理研究所、武漢大學(xué)、浙江大學(xué)等，利用我國第一顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”等多臺望遠(yuǎn)鏡對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的爆發(fā)事件開展了多波段觀測研究，發(fā)現(xiàn)了黑洞噴流的射電輻射和黑洞吸積流外區(qū)的光學(xué)輻射相對于吸積流內(nèi)區(qū)高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線顯示出罕見的長時標(biāo)延遲現(xiàn)象（分別滯后約8天和17天）。該研究首次揭示了黑洞吸積流中磁場運(yùn)輸過程，以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(jù)，推進(jìn)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(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題的認(rèn)知（圖1）。9月1日，相關(guān)研究成果以《黑洞X射線雙星的觀測揭示了磁囚禁吸積盤的形成過程》（Observations of a black hole X-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk）為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。
黑洞捕獲氣體的過程被稱為“吸積”。落向黑洞的氣體則被稱為吸積流，處在等離子體狀態(tài)。吸積流中的粘滯過程能夠有效地釋放引力勢能，其中一部分能量轉(zhuǎn)化為多波段輻射。這些輻射能夠被地面和空間的望遠(yuǎn)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(jìn)而幫助天文學(xué)家研究黑洞的性質(zhì)。2019年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）合作組織發(fā)布了第一張黑洞照片（M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞），讓我們能“看到”黑洞及其周圍吸積物質(zhì)。
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(nèi)拖拽磁場。既往理論認(rèn)為，隨著吸積氣體將外部弱磁場持續(xù)帶入，越向吸積流內(nèi)區(qū)，磁場越會逐漸增強(qiáng)，磁場對吸積流的向外磁力作用也將逐漸增強(qiáng)，并最終與黑洞的向內(nèi)引力相抗衡。因此，在靠近黑洞的吸積流內(nèi)區(qū)，當(dāng)磁場達(dá)到一定強(qiáng)度，吸積物質(zhì)便被磁場所囚禁，而無法自由地掉入黑洞視界面，即形成磁囚禁盤（Magnetically Arrested Disk, MAD）。磁囚禁盤理論已提出多年，解釋了黑洞吸積的一些觀測現(xiàn)象。然而，至今尚無磁囚禁盤存在的直接觀測證據(jù)。磁囚禁盤如何形成以及它的磁場輸運(yùn)機(jī)制如何，均是未解之迷。
除了幾乎每個星系中心的超大質(zhì)量黑洞，宇宙中還存在著更多的恒星級質(zhì)量黑洞。天文學(xué)家在銀河系的許多雙星系統(tǒng)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。這類黑洞吸積大部分時間處在寧靜態(tài)（極其微弱的電磁輻射），偶爾會進(jìn)入持續(xù)數(shù)月或者數(shù)年的爆發(fā)態(tài)，產(chǎn)生明亮的X射線。因此，這類雙星系統(tǒng)常被稱為黑洞X射線雙星。
本研究利用我國第一顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”等多臺望遠(yuǎn)鏡，對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的爆發(fā)開展了多波段數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了其中硬X射線輻射（圖2A中橙色圓點(diǎn)）隨時間的變化呈現(xiàn)一個峰，射電輻射的峰則發(fā)生在8天之后（圖2B），噴流的射電輻射和吸積流內(nèi)區(qū)高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線之間如此長時標(biāo)的滯后是前所未見的。這些觀測結(jié)果表明，吸積盤外區(qū)弱磁場被黑洞周圍熱吸積流帶入內(nèi)區(qū)，熱吸積流徑向尺度隨吸積率下降而快速膨脹，熱吸積流徑向尺度越大，磁場增強(qiáng)越明顯，使得黑洞附近磁場迅速增強(qiáng)，因而在硬X射線輻射峰值之后約8天形成磁囚禁盤（圖3）。武漢大學(xué)副教授游貝表示，本次研究首次揭示了吸積流中的磁場輸運(yùn)過程，以及黑洞附近熱吸積流中形成磁囚禁盤的完整過程，是迄今為止磁囚禁盤存在的最直接觀測證據(jù)。
此外，該研究觀測到吸積流外區(qū)的光學(xué)輻射（圖2C橙色圓點(diǎn)）罕見地滯后于熱吸積流的硬X射線輻射約17天。通過對黑洞X射線雙星爆發(fā)過程的數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，在黑洞爆發(fā)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射線峰值約17天。
浙江大學(xué)教授曹新伍表示，由于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(guī)律，這項(xiàng)研究成果將推進(jìn)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(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題的解決。上海天文臺研究員閆震進(jìn)一步表示，預(yù)期未來會在更多的黑洞吸積系統(tǒng)中觀測到和MAXI J1820+070相似的現(xiàn)象。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、湖北省自然科學(xué)基金、上海天文臺重點(diǎn)培育項(xiàng)目等的支持。法國斯特拉斯堡天文臺、波蘭科學(xué)院理論物理中心、波蘭科學(xué)院哥白尼天文中心等的科研人員參與研究。
圖1.？左下小方框中的紅色圓點(diǎn)表示黑洞X射線雙星MAXI J1820+070在銀河系中的大致位置，右側(cè)放大圖是黑洞X射線雙星的藝術(shù)想象圖，一個恒星（藍(lán)色）圍繞黑洞繞轉(zhuǎn)，它的物質(zhì)被黑洞吸引形成吸積盤（黃色），中心區(qū)域形成了磁場囚禁吸積盤（淺藍(lán)色曲線表示磁場）和兩側(cè)的噴流（亮紫色）。左上小圖展示了觀測到的噴流的射電輻射和吸積流內(nèi)區(qū)的X射線隨時間的變化，顯示出8天的延遲。
圖2.？黑洞X射線雙星MAXI？J1820+070的多波段光變。A（上圖）是X射線輻射隨時間的變化，其中橙色圓點(diǎn)是熱吸積流的硬X射線；B（中圖）是噴流的射電輻射隨時間的變化，可見其峰值滯后硬X射線約8天；C（下圖）是吸積盤外區(qū)的光學(xué)輻射隨時間變化，其中橙色圓點(diǎn)是扣除整體下降趨勢后呈現(xiàn)的光學(xué)輻射的峰，滯后于硬X射線約17天。
圖3.？吸積流、磁場、噴流演化的示意圖。A（上圖）對應(yīng)于圖2開始時刻的狀態(tài)，此時內(nèi)區(qū)的熱吸積流（ADAF）尚未形成，磁場很弱，噴流幾乎探測不到；B（中圖）對應(yīng)于硬X射線峰值時刻的狀態(tài)，熱吸積流已經(jīng)形成，并快速膨脹向內(nèi)區(qū)輸運(yùn)磁場，內(nèi)區(qū)磁場增強(qiáng)，噴流已經(jīng)產(chǎn)生；C（下圖）對應(yīng)于射電輻射峰值時刻的狀態(tài)，內(nèi)區(qū)磁場強(qiáng)度達(dá)到磁囚禁盤的水平，噴流的射電輻射也達(dá)到了峰值。
