關(guān)于黑洞，中國(guó)“慧眼”又有重要發(fā)現(xiàn)！

每經(jīng)編輯 杜宇

據(jù)央視新聞，2023年9月1日，《科學(xué)》以長(zhǎng)文形式發(fā)表了主要基于慧眼衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果的黑洞吸積磁場(chǎng)的最新研究成果。該項(xiàng)研究利用我國(guó)首顆空間X射線天文衛(wèi)星慧眼號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，聯(lián)合地面射電和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了黑洞周?chē)徘艚e盤(pán)形成過(guò)程的直接觀測(cè)證據(jù)。該研究工作由武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、法國(guó)斯特拉斯堡天文臺(tái)、波蘭理論物理中心等單位共同完成。

黑洞捕獲氣體的物理過(guò)程被稱(chēng)為“吸積”，這種落向黑洞的氣體則被稱(chēng)為吸積流，其處在等離子體狀態(tài)。吸積流中的黏滯過(guò)程能夠有效地釋放其引力勢(shì)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(yuǎn)鏡所觀測(cè)到。因此，通過(guò)對(duì)氣體的吸積，黑洞間接地彰顯了自己的存在。對(duì)這些輻射的觀測(cè)已成為研究黑洞的重要途徑。

2019年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）合作組織發(fā)布了人類(lèi)歷史上第一張黑洞照片（M87），揭開(kāi)了我們能“看到”的黑洞及其周?chē)h(huán)境的神秘面紗。然而，在黑洞周?chē)瑯哟嬖谥?ldquo;看不到”的磁場(chǎng)。黑洞吸積氣體的同時(shí)，也會(huì)向內(nèi)拖曳磁場(chǎng)。理論認(rèn)為，隨著吸積氣體將外部弱磁場(chǎng)持續(xù)帶入，吸積流內(nèi)區(qū)磁場(chǎng)會(huì)逐漸增強(qiáng)。相應(yīng)地，磁場(chǎng)對(duì)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。此時(shí)，吸積物質(zhì)便被磁場(chǎng)所囚禁，而無(wú)法自由地、快速地掉入黑洞視界面，即形成磁囚禁盤(pán)。磁囚禁盤(pán)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(cè)現(xiàn)象。然而，至今還沒(méi)有磁囚禁盤(pán)存在的直接觀測(cè)證據(jù)，磁囚禁盤(pán)是如何形成的更是一個(gè)未解之謎。多項(xiàng)研究指出M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞周?chē)赡艽嬖谥徘艚P(pán)。但是，即使是EHT對(duì)M87極高分辨率的觀測(cè)，獲得了其黑洞附近磁場(chǎng)信息（位型等），仍然沒(méi)能確認(rèn)磁囚禁盤(pán)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(jí)黑洞。目前，天文學(xué)家已經(jīng)在許多雙星系統(tǒng)之中探測(cè)到恒星級(jí)黑洞的存在，其質(zhì)量一般是太陽(yáng)質(zhì)量的十倍左右。科研團(tuán)隊(duì)利用對(duì)黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)時(shí)的多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)到前所未見(jiàn)的長(zhǎng)時(shí)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(tuán)隊(duì)指出，吸積盤(pán)外區(qū)弱磁場(chǎng)被黑洞周?chē)鸁嵛e流帶入而增強(qiáng)，吸積流徑向尺度越大磁場(chǎng)增強(qiáng)越明顯。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析X射線觀測(cè)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(chǎng)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(pán)。

這項(xiàng)工作第一次揭示了吸積流中的磁場(chǎng)輸運(yùn)過(guò)程，及黑洞附近熱吸積流中形成磁囚禁盤(pán)的完整過(guò)程。因而，成為迄今為止，磁囚禁盤(pán)存在的最直接觀測(cè)證據(jù)。由于物理過(guò)程的普適性，這項(xiàng)研究成果將極大地推進(jìn)對(duì)不同量級(jí)黑洞吸積盤(pán)大尺度磁場(chǎng)形成及噴流加速機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的理解。

此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)黑洞X射線雙星爆發(fā)過(guò)程的數(shù)值模擬，第一次揭示了在黑洞吸積即將終止時(shí)，由于硬X射線的照射，更多的外區(qū)吸積物質(zhì)會(huì)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(guó)天眼FAST揭秘黑洞“脈搏”

據(jù)央視新聞，記者從中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)獲悉，北京時(shí)間2023年7月26日，國(guó)際科學(xué)期刊《自然》雜志（Nature）發(fā)表了圍繞中國(guó)天眼FAST的最新科研成果。武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院天文學(xué)系與中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作研究論文“Sub-second periodic radio oscillations in a microquasar”（微類(lèi)星體中的亞秒級(jí)周期射電振蕩），揭示了黑洞噴流的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)特性。

微類(lèi)星體是銀河系內(nèi)由一顆中子星或黑洞與一顆普通恒星組成的雙星系統(tǒng)，中子星或黑洞吸積恒星的物質(zhì)產(chǎn)生高溫的吸積盤(pán)及相對(duì)論性的噴流，在觀測(cè)上表現(xiàn)為間歇性或長(zhǎng)期變化的X射線和射電輻射，是研究強(qiáng)引力場(chǎng)和相對(duì)論物理的宇宙天然實(shí)驗(yàn)室。GRS 1915+105是一顆著名的微類(lèi)星體，含有一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的黑洞，并觀測(cè)到視超光速運(yùn)動(dòng)的射電噴流，是研究極端高能物理過(guò)程的重要樣本。自發(fā)現(xiàn)起近30多年來(lái)，該黑洞一直具有豐富的X射線光變特征和間歇性射電噴流，但我們對(duì)黑洞噴流的動(dòng)力學(xué)和快速光變的起源依然不清楚。

為了揭開(kāi)微類(lèi)星體的相對(duì)論性噴流的神秘面紗，國(guó)際合作研究團(tuán)隊(duì)自2020年至2022年利用FAST對(duì)GRS 1915+105首次開(kāi)展高時(shí)間精度的射電連續(xù)譜光變和偏振監(jiān)測(cè)。利用FAST高采樣和探測(cè)靈敏度優(yōu)勢(shì)，在2021年1月和2022年6月的兩次觀測(cè)均發(fā)現(xiàn)黑洞存在微弱的射電脈搏，脈搏周期約為0.2秒。這個(gè)脈搏周期不穩(wěn)定，而且大部分時(shí)間無(wú)法探測(cè)，因此稱(chēng)之為準(zhǔn)周期振蕩。該合作研究成果中，武漢大學(xué)田鵬夫、張平博士、王偉教授及國(guó)家天文臺(tái)王培副研究員為共同第一作者，國(guó)家天文臺(tái)劉繼峰研究員、姜鵬研究員、李菂研究員等是共同作者。

這一成果是國(guó)際首次觀測(cè)到微類(lèi)星體中亞秒級(jí)的低頻射電準(zhǔn)周期振蕩的現(xiàn)象，并揭示黑洞系統(tǒng)的該準(zhǔn)周期振蕩現(xiàn)象與相對(duì)論性噴流直接相關(guān)。此次黑洞射電輻射脈搏的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于揭示致密天體相對(duì)論性射電噴流的起源與動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有重要科學(xué)意義，將打開(kāi)黑洞射電觀測(cè)和理論研究的新思路。

天文學(xué)家首次拍攝到黑洞與噴流“全景照”

2019年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）合作組織發(fā)布了人類(lèi)歷史上第一張黑洞照片（M87），揭開(kāi)了我們能“看到”的黑洞及其周?chē)h(huán)境的神秘面紗。

據(jù)央視新聞，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)路如森研究員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)在M87黑洞的成像研究方面取得最新進(jìn)展，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)M87黑洞及其周?chē)e流和噴流的共同成像探測(cè)。這一成果北京時(shí)間2023年4月26日晚在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。

最新拍攝的M87黑洞及噴流照片 圖片來(lái)源：央視新聞

據(jù)了解，與此前“事件視界望遠(yuǎn)鏡”合作組織拍攝的照片不同的是，之前的是黑洞的“特寫(xiě)”，人們能夠看到的是亮環(huán)圍繞著中間的黑洞陰影。而這次拍攝到的則是“全景”，在這張照片中有黑洞、黑洞周?chē)奈e流以及從吸積盤(pán)附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。作為事件視界望遠(yuǎn)鏡黑洞照片的拓展，充分展現(xiàn)了黑洞和它周?chē)h(huán)境的關(guān)系。

北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所所長(zhǎng)何子山教授介紹，這次是在2019年人類(lèi)首張黑洞照片的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證了大質(zhì)量黑洞的存在。并通過(guò)完整的成像，使人們進(jìn)一步了解了中央超大質(zhì)量黑洞附近的吸積流與噴流之間的聯(lián)系。

M87是目前宇宙中所知質(zhì)量最大的黑洞之一，其質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍。它位于梅西耶87星系——即室女座星系團(tuán)中央巨橢圓星系的中心，距離地球約5500萬(wàn)光年。M87星系的中心黑洞能驅(qū)動(dòng)能量巨大的噴流，速度接近光速，可以延展至星系以外很遠(yuǎn)處。

最新拍攝的M87黑洞及噴流照片 圖片來(lái)源：央視新聞

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