9月1日，Science（《科學(xué)》）以長(zhǎng)文（Article）形式發(fā)表了由武漢大學(xué)天文系游貝領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)關(guān)于黑洞吸積磁場(chǎng)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(cè)揭示了磁囚禁吸積盤(pán)的形成過(guò)程》）。

武漢大學(xué)為第一署名單位，游貝副教授為第一作者。游貝、浙江大學(xué)曹新伍教授、上海天文臺(tái)閆震研究員為共同通訊作者。法國(guó)斯特拉斯堡天文臺(tái)Jean-Marie Hameury研究員，波蘭理論物理中心Bozena Czerny教授，武漢大學(xué)2017級(jí)本科生吳岳、夏天宇，波蘭科學(xué)院哥白尼天文中心Marek Sikora教授、Piotr T. Zycki教授，中國(guó)科學(xué)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(jí)本科生）、游貝、吳岳（2017級(jí)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(diǎn)表示黑洞X射線雙星MAXI J1820+070在銀河系中的大致位置。右側(cè)放大圖是黑洞X射線雙星的藝術(shù)想象圖，一個(gè)恒星（藍(lán)色）圍繞黑洞繞轉(zhuǎn)，它的物質(zhì)被黑洞吸引形成吸積盤(pán)（黃色），中心區(qū)域形成了磁場(chǎng)囚禁吸積盤(pán)（淺藍(lán)色曲線表示磁場(chǎng)）和兩側(cè)的噴流（亮紫色），左上小圖展示了觀測(cè)到的噴流的射電輻射和吸積流內(nèi)區(qū)的X射線隨時(shí)間的變化，顯示出8天的延遲。

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)。吸積流中的粘滯過(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)�環(huán)境的神秘面紗。然而，在黑洞周?chē)�同樣存在�?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)（Magnetically Arrested Disk; MAD）。

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)�可能存在著磁囚禁盤(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。

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(shí)間的變化，其中橙色圓點(diǎn)是熱吸積流的硬X射線。

B（中圖）是噴流的射電輻射隨時(shí)間的變化，可見(jiàn)其峰值滯后硬X射線約8天。

C（下圖）是吸積盤(pán)外區(qū)的光學(xué)輻射隨時(shí)間變化，其中橙色圓點(diǎn)是扣除整體下降趨勢(shì)后呈現(xiàn)的光學(xué)輻射的峰，滯后于硬X射線約17天。

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。這類(lèi)雙星大部分時(shí)間處在寧?kù)o態(tài)（極其微弱的電磁輻射），而偶爾會(huì)進(jìn)入持續(xù)數(shù)月或者數(shù)年的爆發(fā)態(tài)，產(chǎn)生明亮的X射線。因此，這類(lèi)雙星系統(tǒng)常被稱(chēng)為黑洞X射線雙星。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)，其中包括中國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星慧眼號(hào)，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（圖2B）和吸積流外區(qū)的光學(xué)輻射（圖2C），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（圖2A）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�積流帶入而增強(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。

吸積流、磁場(chǎng)、噴流演化的示意圖

A（上圖）對(duì)應(yīng)于圖2開(kāi)始時(shí)刻的狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)區(qū)的熱吸積流（ADAF）尚未形成，磁場(chǎng)很弱，噴流幾乎探測(cè)不到。

B（中圖）對(duì)應(yīng)于硬X射線峰值時(shí)刻的狀態(tài)，熱吸積流已經(jīng)形成，并且快速膨脹向內(nèi)區(qū)輸運(yùn)磁場(chǎng)，內(nèi)區(qū)磁場(chǎng)增強(qiáng)，噴流已經(jīng)產(chǎn)生。

C（下圖）對(duì)應(yīng)于射電輻射峰值時(shí)刻的狀態(tài)，內(nèi)區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到磁囚禁盤(pán)的水平，噴流的射電輻射也達(dá)到了峰值。

該研究得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、上海天文臺(tái)重點(diǎn)培育項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金、小米基金的支持。

游貝課題組長(zhǎng)期從事黑洞天體物理的探索，基于天文多波段觀測(cè)和數(shù)值模擬，研究黑洞吸積、相對(duì)論噴流等天文學(xué)課題。

課題組曾于2021年在Nature Communications (《自然·通訊》)發(fā)表了關(guān)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(biāo)題：黑洞如何吞噬磁場(chǎng)？武大天文系《Science》發(fā)文告訴你）