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黑洞會吞噬周圍的物質(zhì)，形成一個旋轉(zhuǎn)的吸積盤。但理論還預(yù)測，吸積盤中的部分物質(zhì)會被強大的磁場束縛，無法落入黑洞。最近，科學(xué)家就利用我國 X 射線天文衛(wèi)星“慧眼”等多臺望遠鏡，首次觀測到了這種現(xiàn)象。
文 | 陳強
近日，科學(xué)家利用我國第一顆 X 射線天文衛(wèi)星“慧眼”等多臺望遠鏡，對黑洞進行了觀測研究，首次揭示了黑洞吸積盤中“磁囚禁盤”的完整形成過程，為探索吸積盤和噴流的奧秘提供了重要線索。該研究成果已于 9 月 1 日發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。
這項研究工作是由武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院上海天文臺、中國科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、法國斯特拉斯堡天文臺、波蘭理論物理中心等單位共同完成的。
黑洞的吸積盤可囚禁物質(zhì)？
黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，它具有強大的引力，能夠吞噬周圍的物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)被吸向黑洞時，它們會在黑洞周圍形成一個旋轉(zhuǎn)的盤形結(jié)構(gòu)，叫作“吸積盤”。
吸積盤內(nèi)物質(zhì)之間會發(fā)生劇烈的摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，并發(fā)出可見光、X 射線等各種電磁輻射，偶爾還會發(fā)出可產(chǎn)生無線電波輻射的噴流。通過觀測這些輻射，我們可以“看到”黑洞，并能分析出周圍的物質(zhì)分布和運動狀態(tài)。
此外，吸積盤還會受到磁場的影響。理論認(rèn)為，吸積的物質(zhì)會將外部的弱磁場持續(xù)帶入，這會導(dǎo)致越靠近吸積盤內(nèi)部，磁場就越強。當(dāng)磁場達到一定強度時，它能會對物質(zhì)產(chǎn)生向外的推力，并與黑洞引力相抗衡。這樣，在靠近黑洞的吸積盤區(qū)域，物質(zhì)就會被磁場所囚禁，無法掉進黑洞。這部分的吸積盤被稱為“磁囚禁盤”（magnetically arrested disk）。
雖然關(guān)于磁囚禁盤的理論已經(jīng)提出多年，并且能夠解釋一些黑洞吸積現(xiàn)象，但在此之前還沒有關(guān)于磁囚禁盤存在的直接觀測證據(jù)。
輻射的不同步揭示磁囚禁盤的形成
最近，科學(xué)家利用我國第一顆 X 射線天文衛(wèi)星“慧眼”等多臺望遠鏡，在 X 射線、光學(xué)和無線電波等波段，對黑洞 X 射線雙星 MAXI J1820+070 進行了觀測。這是一個離我們大約有 1 萬光年遠的雙星系統(tǒng)，由一顆黑洞（質(zhì)量大約是太陽的 8 倍）和一顆恒星構(gòu)成。其中，恒星的部分物質(zhì)被黑洞吸走并形成了吸積盤。
這類雙星系統(tǒng)在大部分時間里處在平靜狀態(tài)，發(fā)出很少的電磁輻射。然而，它們偶爾會進入持續(xù)數(shù)月或者數(shù)年的爆發(fā)階段，會發(fā)出強烈的 X 射線。這樣的雙星系統(tǒng)被稱為黑洞 X 射線雙星，它們?yōu)榭茖W(xué)家提供了一個難得的機會，來觀測黑洞吸積盤的演化過程。
通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，這些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個非常有趣的現(xiàn)象：與緊靠黑洞的超亮 X 射線抵達峰值的時間相比，無線電波輻射抵達峰值的時間滯后了大約 8 天。科學(xué)家認(rèn)為，這么長的滯后現(xiàn)象，是由于黑洞吸積盤中磁囚禁盤形成時導(dǎo)致的。
具體來說，當(dāng)黑洞爆發(fā)即將結(jié)束時，由于吸積率下降，高溫的吸積物質(zhì)的徑向尺度會快速膨脹，這個過程會使得黑洞附近磁場迅速增強。這樣，靠近黑洞的區(qū)域就會出現(xiàn)強磁場，并逐漸產(chǎn)生噴流。在 X 射線輻射峰值之后約 8 天，這個區(qū)域就形成了磁囚禁盤。此時，噴流的無線電波輻射就會抵達峰值。
此外，科學(xué)家還觀測到，由于 X 射線的照射，更多的外部物質(zhì)會由于不穩(wěn)定性而加速向內(nèi)移動，并在吸積盤外區(qū)產(chǎn)生可見光波段的閃耀。在 X 射線輻射峰值之后約 17 天，可見光輻射就會出現(xiàn)峰值。
這些觀測結(jié)果首次揭示了黑洞吸積盤中磁囚禁盤形成的完整過程，為理解吸積盤高強磁場的形成，以及噴流產(chǎn)生和加速機制提供了重要線索。由于不同質(zhì)量的黑洞吸積物質(zhì)服從相同的物理規(guī)律，這項研究成果也有助于推進對超大質(zhì)量黑洞等其他類型黑洞吸積的認(rèn)知。
參考文獻：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4504
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