9月1日，Science（《科學》）以長文（Article）形式發表了由武漢大學天文系游貝領導的國際團隊關于黑洞吸積磁場的最新研究成果。論文題目為“Observations of a black hole X-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk”（《黑洞X射線雙星的觀測揭示了磁囚禁吸積盤的形成過程》）。

武漢大學為第一署名單位，游貝副教授為第一作者。游貝、浙江大學曹新伍教授、上海天文臺閆震研究員為共同通訊作者。法國斯特拉斯堡天文臺Jean-Marie Hameury研究員，波蘭理論物理中心Bozena Czerny教授，武漢大學2017級本科生吳岳、夏天宇，波蘭科學院哥白尼天文中心Marek Sikora教授、Piotr T. Zycki教授，中國科學院高能物理研究所張雙南研究員、杜璞研究員為合作者。

從左到右：夏天宇（2017級本科生）、游貝、吳岳（2017級本科生）

                                                                               圖1:黑洞x射線雙星MAXI J1820+070的多波段光變

圖解：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。

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。吸積流中的粘滯過程能夠有效地釋放其引力勢能，部分地轉化為輻射能，產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，也會向內拖曳磁場。理論認為，隨著吸積氣體將外部弱磁場持續帶入，吸積流內區磁場會逐漸增強。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引力相抗衡。此時，吸積物質便被磁場所囚禁，而無法自由地、快速地掉入黑洞視界面，即形成磁囚禁盤（Magnetically Arrested Disk; MAD）。

磁囚禁盤理論模型已經發展得非常成熟，成功地解釋了黑洞吸積系統的許多復雜觀測現象。然而，至今還沒有磁囚禁盤存在的直接觀測證據，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。

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。

除了星系中心的超大質量黑洞，宇宙中還存在著恒星級黑洞。目前，天文學家已經在許多雙星系統之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。這類雙星大部分時間處在寧靜態（極其微弱的電磁輻射），而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。科研團隊利用對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發時的多波段觀測數據，其中包括中國第一顆X射線天文衛星慧眼號，觀測到前所未見的長時標延遲現象：噴流的射電輻射（圖2B）和吸積流外區的光學輻射（圖2C），分別滯后于吸積流內區高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線（圖2A）約8天和17天。

科研團隊指出，吸積盤外區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射線觀測數據發現：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。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射線雙星爆發過程的數值模擬，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射線輻射峰值約17天。

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，并且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。

該研究得到了國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費、中國科學院青年創新促進會、上海天文臺重點培育項目、湖北省自然科學基金、小米基金的支持。

游貝課題組長期從事黑洞天體物理的探索，基于天文多波段觀測和數值模擬，研究黑洞吸積、相對論噴流等天文學課題。

課題組曾于2021年在Nature Communications (《自然·通訊》)發表了關于黑洞吸積的研究成果，論文題為“Insight-HXMT observations of jet-like corona in a black hole X-ray binary MAXI J1820+070”(https://www.nature.com/articles/s41467-021-21169-5)，游貝副教授為第一作者。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4504

（原標題：黑洞如何吞噬磁場？武大天文系《Science》發文告訴你）