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    天文學家首次獲得黑洞磁場囚禁吸積盤形成的觀測證據

    文章來源:  |  發布時間:2023-09-05  |  【打印】 【關閉

      
      近日,中國科學院上海天文臺、中國科學院高能物理研究所、武漢大學、浙江大學等,利用我國第一顆X射線天文衛星“慧眼”等多臺望遠鏡對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的爆發事件開展了多波段觀測研究,發現了黑洞噴流的射電輻射和黑洞吸積流外區的光學輻射相對于吸積流內區高溫氣體(熱吸積流)的硬X射線顯示出罕見的長時標延遲現象(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,推進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制等關鍵科學問題的認知(圖1)。9月1日,相關研究成果以《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,發表在《科學》(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。吸積流中的粘滯過程能夠有效地釋放引力勢能,其中一部分能量轉化為多波段輻射。這些輻射能夠被地面和空間的望遠鏡所觀測到,因此通過觀測吸積氣體的輻射,我們能夠“看到”黑洞,進而幫助天文學家研究黑洞的性質。2019年,“事件視界望遠鏡”(EHT)合作組織發布了第一張黑洞照片(M87星系中心的超大質量黑洞),讓我們能“看到”黑洞及其周圍吸積物質。
      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,也會向內拖拽磁場。既往理論認為,隨著吸積氣體將外部弱磁場持續帶入,越向吸積流內區,磁場越會逐漸增強,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引力相抗衡。因此,在靠近黑洞的吸積流內區,當磁場達到一定強度,吸積物質便被磁場所囚禁,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象。然而,至今尚無磁囚禁盤存在的直接觀測證據。磁囚禁盤如何形成以及它的磁場輸運機制如何,均是未解之迷。
      除了幾乎每個星系中心的超大質量黑洞,宇宙中還存在著更多的恒星級質量黑洞。天文學家在銀河系的許多雙星系統中探測到恒星級黑洞的存在,其質量一般是太陽質量的十倍左右。這類黑洞吸積大部分時間處在寧靜態(極其微弱的電磁輻射),偶爾會進入持續數月或者數年的爆發態,產生明亮的X射線。因此,這類雙星系統常被稱為黑洞X射線雙星。
      本研究利用我國第一顆X射線天文衛星“慧眼”等多臺望遠鏡,對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070的爆發開展了多波段數據分析,發現了其中硬X射線輻射(圖2A中橙色圓點)隨時間的變化呈現一個峰,射電輻射的峰則發生在8天之后(圖2B),噴流的射電輻射和吸積流內區高溫氣體(熱吸積流)的硬X射線之間如此長時標的滯后是前所未見的。這些觀測結果表明,吸積盤外區弱磁場被黑洞周圍熱吸積流帶入內區,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,磁場增強越明顯,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(圖3)。武漢大學副教授游貝表示,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。
      此外,該研究觀測到吸積流外區的光學輻射(圖2C橙色圓點)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射線雙星爆發過程的數值模擬,研究發現,在黑洞爆發即將終止時,由于硬X射線的照射,更多的外區吸積物質會由于不穩定性而加速落向黑洞,致使吸積流外區產生光學閃耀,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律,這項研究成果將推進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制等關鍵科學問題的解決。上海天文臺研究員閆震進一步表示,預期未來會在更多的黑洞吸積系統中觀測到和MAXI J1820+070相似的現象。
      研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高?;究蒲袠I務費、中國科學院青年創新促進會、湖北省自然科學基金、上海天文臺重點培育項目等的支持。法國斯特拉斯堡天文臺、波蘭科學院理論物理中心、波蘭科學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表示黑洞X射線雙星MAXI J1820+070在銀河系中的大致位置,右側放大圖是黑洞X射線雙星的藝術想象圖,一個恒星(藍色)圍繞黑洞繞轉,它的物質被黑洞吸引形成吸積盤(黃色),中心區域形成了磁場囚禁吸積盤(淺藍色曲線表示磁場)和兩側的噴流(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區的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)是吸積盤外區的光學輻射隨時間變化,其中橙色圓點是扣除整體下降趨勢后呈現的光學輻射的峰,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)對應于圖2開始時刻的狀態,此時內區的熱吸積流(ADAF)尚未形成,磁場很弱,噴流幾乎探測不到;B(中圖)對應于硬X射線峰值時刻的狀態,熱吸積流已經形成,并快速膨脹向內區輸運磁場,內區磁場增強,噴流已經產生;C(下圖)對應于射電輻射峰值時刻的狀態,內區磁場強度達到磁囚禁盤的水平,噴流的射電輻射也達到了峰值。
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