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關(guān)于黑洞,中國(guó)“慧眼”又有新發(fā)現(xiàn)
9月1日,《科學(xué)》以長(zhǎng)文形式發(fā)表了主要基于慧眼衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果的黑洞吸積磁場(chǎng)的最新研究成果。該項(xiàng)研究利用我國(guó)首顆空間X射線天文衛(wèi)星慧眼號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù),聯(lián)合地面射電和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè),發(fā)現(xiàn)了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過(guò)程的直接觀測(cè)證據(jù)。該研究工作由武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、法國(guó)斯特拉斯堡天文臺(tái)、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(guò)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(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(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。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(cè)現(xiàn)象。
然而,至今還沒(méi)有磁囚禁盤存在的直接觀測(cè)證據(jù),磁囚禁盤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)量黑洞周圍可能存在著磁囚禁盤。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(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。科研團(tuán)隊(duì)利用對(duì)黑洞X射線雙星MAXIJ1820+070爆發(fā)時(shí)的多波段觀測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)指出,吸積盤外區(qū)弱磁場(chǎng)被黑洞周圍熱吸積流帶入而增強(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。
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的完整過(guò)程。因而,成為迄今為止,磁囚禁盤存在的最直接觀測(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。
(總臺(tái)央視記者 帥俊全 褚爾嘉)
- 原標(biāo)題:關(guān)于黑洞!中國(guó)“慧眼”又有新發(fā)現(xiàn)
- 責(zé)任編輯: 邵婧 
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