關(guān)于黑洞，中國“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)》以長文形式發(fā)表了主要基于慧眼衛(wèi)星觀測結(jié)果的黑洞吸積磁場的最新研究成果。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(yuǎn)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)。該研究工作由武漢大學(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。

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(yuǎn)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(yuǎn)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(rèn)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(rèn)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。科研團(tuán)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(tuán)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(tuán)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(jìn)對不同量級黑洞吸積盤大尺度磁場形成及噴流加速機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題的理解。

此外，研究團(tuán)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。

中國天眼FAST揭秘黑洞“脈搏”

據(jù)央視新聞，記者從中國科學(xué)院國家天文臺獲悉，北京時間2023年7月26日，國際科學(xué)期刊《自然》雜志（Nature）發(fā)表了圍繞中國天眼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)系與中國科學(xué)院國家天文臺聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的國際合作研究論文“Sub-second periodic radio oscillations in a microquasar”（微類星體中的亞秒級周期射電振蕩），揭示了黑洞噴流的復(fù)雜動力學(xué)特性。

微類星體是銀河系內(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)生高溫的吸積盤及相對論性的噴流，在觀測上表現(xiàn)為間歇性或長期變化的X射線和射電輻射，是研究強引力場和相對論物理的宇宙天然實驗室。GRS 1915+105是一顆著名的微類星體，含有一個快速旋轉(zhuǎn)的黑洞，并觀測到視超光速運動的射電噴流，是研究極端高能物理過程的重要樣本。自發(fā)現(xiàn)起近30多年來，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，但我們對黑洞噴流的動力學(xué)和快速光變的起源依然不清楚。

為了揭開微類星體的相對論性噴流的神秘面紗，國際合作研究團(tuán)隊自2020年至2022年利用FAST對GRS 1915+105首次開展高時間精度的射電連續(xù)譜光變和偏振監(jiān)測。利用FAST高采樣和探測靈敏度優(yōu)勢，在2021年1月和2022年6月的兩次觀測均發(fā)現(xiàn)黑洞存在微弱的射電脈搏，脈搏周期約為0.2秒。這個脈搏周期不穩(wěn)定，而且大部分時間無法探測，因此稱之為準(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、王偉教授及國家天文臺王培副研究員為共同第一作者，國家天文臺劉繼峰研究員、姜鵬研究員、李菂研究員等是共同作者。

這一成果是國際首次觀測到微類星體中亞秒級的低頻射電準(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)，對于揭示致密天體相對論性射電噴流的起源與動力學(xué)過程具有重要科學(xué)意義，將打開黑洞射電觀測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。

據(jù)央視新聞，中國科學(xué)院上海天文臺路如森研究員領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊在M87黑洞的成像研究方面取得最新進(jìn)展，成功實現(xiàn)了對M87黑洞及其周圍吸積流和噴流的共同成像探測。這一成果北京時間2023年4月26日晚在國際學(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”，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、黑洞周圍的吸積流以及從吸積盤附近延伸向遠(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)了黑洞和它周圍環(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何子山教授介紹，這次是在2019年人類首張黑洞照片的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗證了大質(zhì)量黑洞的存在。并通過完整的成像，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5500萬光年。M87星系的中心黑洞能驅(qū)動能量巨大的噴流，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 圖片來源：央視新聞

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