关于黑洞，中国“慧眼”又有重要发现！

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每经编辑：杜宇
据央视新闻，2023年9月1日，《科学》以长文形式发表了主要基于慧眼卫星观测结果的黑洞吸积磁场的最新研究成果。该项研究利用我国首颗空间X射线天文卫星慧眼号的观测数据，联合地面射电和光学望远镜观测，发现了黑洞周围磁囚禁吸积盘形成过程的直接观测证据。该研究工作由武汉大学、浙江大学、中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、法国斯特拉斯堡天文台、波兰理论物理中心等单位共同完成。


黑洞捕获气体的物理过程被称为“吸积”，这种落向黑洞的气体则被称为吸积流，其处在等离子体状态。吸积流中的黏滞过程能够有效地释放其引力势能，部分地转化为辐射能，产生多波段辐射被地面、空间望远镜所观测到。因此，通过对气体的吸积，黑洞间接地彰显了自己的存在。对这些辐射的观测已成为研究黑洞的重要途径。
2019年，“事件视界望远镜”（EHT）合作组织发布了人类历史上第一张黑洞照片（M87），揭开了我们能“看到”的黑洞及其周围环境的神秘面纱。然而，在黑洞周围同样存在着“看不到”的磁场。黑洞吸积气体的同时，也会向内拖曳磁场。理论认为，随着吸积气体将外部弱磁场持续带入，吸积流内区磁场会逐渐增强。相应地，磁场对吸积流的向外磁力作用也将逐渐增强，并最终与黑洞的向内引力相抗衡。此时，吸积物质便被磁场所囚禁，而无法自由地、快速地掉入黑洞视界面，即形成磁囚禁盘。磁囚禁盘理论模型已经发展得非常成熟，成功地解释了黑洞吸积系统的许多复杂观测现象。然而，至今还没有磁囚禁盘存在的直接观测证据，磁囚禁盘是如何形成的更是一个未解之谜。多项研究指出M87星系中心的超大质量黑洞周围可能存在着磁囚禁盘。但是，即使是EHT对M87极高分辨率的观测，获得了其黑洞附近磁场信息（位型等），仍然没能确认磁囚禁盘的存在。
除了星系中心的超大质量黑洞，宇宙中还存在着恒星级黑洞。目前，天文学家已经在许多双星系统之中探测到恒星级黑洞的存在，其质量一般是太阳质量的十倍左右。科研团队利用对黑洞X射线双星MAXI J1820+070爆发时的多波段观测数据观测到前所未见的长时标延迟现象：喷流的射电辐射和吸积流外区的光学辐射，分别滞后于吸积流内区高温气体（热吸积流）的硬X射线约8天和17天。科研团队指出，吸积盘外区弱磁场被黑洞周围热吸积流带入而增强，吸积流径向尺度越大磁场增强越明显。研究团队通过分析X射线观测数据发现：硬X射线辐射随吸积率减小而下降，而热吸积流径向尺度随吸积率下降而快速膨胀，使得黑洞附近磁场迅速增强，因而在硬X射线辐射峰值之后约8天形成磁囚禁盘。
这项工作第一次揭示了吸积流中的磁场输运过程，及黑洞附近热吸积流中形成磁囚禁盘的完整过程。因而，成为迄今为止，磁囚禁盘存在的最直接观测证据。由于物理过程的普适性，这项研究成果将极大地推进对不同量级黑洞吸积盘大尺度磁场形成及喷流加速机制等关键科学问题的理解。
此外，研究团队通过对黑洞X射线双星爆发过程的数值模拟，第一次揭示了在黑洞吸积即将终止时，由于硬X射线的照射，更多的外区吸积物质会由于不稳定性而加速落向黑洞，致使吸积流外区产生光学闪耀，峰值滞后于热吸积流的硬X射线辐射峰值约17天。


中国天眼FAST揭秘黑洞“脉搏”

据央视新闻，记者从中国科学院国家天文台获悉，北京时间2023年7月26日，国际科学期刊《自然》杂志（Nature）发表了围绕中国天眼FAST的最新科研成果。武汉大学物理科学与技术学院天文学系与中国科学院国家天文台联合领导的国际合作研究论文“Sub-second periodic radio oscillations in a microquasar”（微类星体中的亚秒级周期射电振荡），揭示了黑洞喷流的复杂动力学特性。
微类星体是银河系内由一颗中子星或黑洞与一颗普通恒星组成的双星系统，中子星或黑洞吸积恒星的物质产生高温的吸积盘及相对论性的喷流，在观测上表现为间歇性或长期变化的X射线和射电辐射，是研究强引力场和相对论物理的宇宙天然实验室。GRS 1915+105是一颗著名的微类星体，含有一个快速旋转的黑洞，并观测到视超光速运动的射电喷流，是研究极端高能物理过程的重要样本。自发现起近30多年来，该黑洞一直具有丰富的X射线光变特征和间歇性射电喷流，但我们对黑洞喷流的动力学和快速光变的起源依然不清楚。
为了揭开微类星体的相对论性喷流的神秘面纱，国际合作研究团队自2020年至2022年利用FAST对GRS 1915+105首次开展高时间精度的射电连续谱光变和偏振监测。利用FAST高采样和探测灵敏度优势，在2021年1月和2022年6月的两次观测均发现黑洞存在微弱的射电脉搏，脉搏周期约为0.2秒。这个脉搏周期不稳定，而且大部分时间无法探测，因此称之为准周期振荡。该合作研究成果中，武汉大学田鹏夫、张平博士、王伟教授及国家天文台王培副研究员为共同第一作者，国家天文台刘继峰研究员、姜鹏研究员、李菂研究员等是共同作者。
这一成果是国际首次观测到微类星体中亚秒级的低频射电准周期振荡的现象，并揭示黑洞系统的该准周期振荡现象与相对论性喷流直接相关。此次黑洞射电辐射脉搏的发现，对于揭示致密天体相对论性射电喷流的起源与动力学过程具有重要科学意义，将打开黑洞射电观测和理论研究的新思路。
天文学家首次拍摄到黑洞与喷流“全景照”

2019年，“事件视界望远镜”（EHT）合作组织发布了人类历史上第一张黑洞照片（M87），揭开了我们能“看到”的黑洞及其周围环境的神秘面纱。
据央视新闻，中国科学院上海天文台路如森研究员领导的国际科研团队在M87黑洞的成像研究方面取得最新进展，成功实现了对M87黑洞及其周围吸积流和喷流的共同成像探测。这一成果北京时间2023年4月26日晚在国际学术期刊《自然》在线发表。


最新拍摄的M87黑洞及喷流照片 图片来源：央视新闻
据了解，与此前“事件视界望远镜”合作组织拍摄的照片不同的是，之前的是黑洞的“特写”，人们能够看到的是亮环围绕着中间的黑洞阴影。而这次拍摄到的则是“全景”，在这张照片中有黑洞、黑洞周围的吸积流以及从吸积盘附近延伸向远处的喷流。作为事件视界望远镜黑洞照片的拓展，充分展现了黑洞和它周围环境的关系。
北京大学科维理天文与天体物理研究所所长何子山教授介绍，这次是在2019年人类首张黑洞照片的基础上，进一步验证了大质量黑洞的存在。并通过完整的成像，使人们进一步了解了中央超大质量黑洞附近的吸积流与喷流之间的联系。
M87是目前宇宙中所知质量最大的黑洞之一，其质量是太阳质量的65亿倍。它位于梅西耶87星系——即室女座星系团中央巨椭圆星系的中心，距离地球约5500万光年。M87星系的中心黑洞能驱动能量巨大的喷流，速度接近光速，可以延展至星系以外很远处。


最新拍摄的M87黑洞及喷流照片 图片来源：央视新闻
每日经济新闻综合央视新闻
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来源：https://view.inews.qq.com/k/20230901A04P1I00
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