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》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)合地面射電和光學望遠鏡觀測，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、浙江大學、中國科學院上海天文臺、中國科學院高能物理研究所、南京大學、中國科學技術(shù)大學、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延遲現(xiàn)象：噴流的射電輻射和吸積流外區(qū)的光學輻射，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對不同量級黑洞吸積盤大尺度磁場形成及噴流加速機制等關(guān)鍵科學問題的理解。

此外，研究團隊通過對黑洞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，記者從中國科學院國家天文臺獲悉，北京時間2023年7月26日，國際科學期刊《自然》雜志（Nature）發(fā)表了圍繞中國天眼FAST的最新科研成果。武漢大學物理科學與技術(shù)學院天文學系與中國科學院國家天文臺聯(lián)合領(lǐng)導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雜動力學特性。

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，因此稱之為準周期振蕩。該合作研究成果中，武漢大學田鵬夫、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周期振蕩的現(xiàn)象，并揭示黑洞系統(tǒng)的該準周期振蕩現(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過程具有重要科學意義，將打開黑洞射電觀測和理論研究的新思路。

天文學家首次拍攝到黑洞與噴流“全景照”

2019年，“事件視界望遠鏡”（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，中國科學院上海天文臺路如森研究員領(lǐng)導的國際科研團隊在M87黑洞的成像研究方面取得最新進展，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處的噴流。作為事件視界望遠鏡黑洞照片的拓展，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上，進一步驗證了大質(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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