凝望深渊,慧眼揭示黑洞吸积盘的秘密
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发布时间：2024-10-24 11:27
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时间：2024-11-05 23:57
黑洞周身的光环并非黑洞发光，而是由宇宙中的气体物质构成的吸积盘所辐射的光芒。当黑洞附近有物质靠近时，这些物质并不会立刻被黑洞吞噬，而是被吸引到一个叫做吸积盘的结构中。吸积盘受黑洞引力和摩擦的作用不断向内旋进，内层的气体和尘埃被挤压导致温度上升从而发射出电磁辐射，形成了黑洞周身的光环。由于黑洞强大的引力对光的扭曲效应，我们所能看到的吸积盘并不是一个扁平的圆盘，而是圆盘的远端被折起来，如同给黑洞戴了个“帽子”。
黑洞在宇宙中通常有一个伴星作为其伴星，由于黑洞强大的引力，它可以从伴星吸引气体物质。吸积的气体物质由于需要满足角动量守恒，会形成一个相对较薄的吸积盘。吸积盘里面的温度可以达到数百万度，产生很强的X射线辐射，因此这样的双星系统被称为黑洞X射线双星系统。由于一些物理过程如大尺度磁场的存在，它们抽取内层吸积盘的转动能量，将内吸积盘中的电荷加速，形成贯穿吸积盘的相对论性喷流。
最近的一项研究利用了中国的X射线天文卫星“慧眼”和其他望远镜，对黑洞X射线双星MAXI J1820+070进行了多波段观测。研究者们观测了这次爆发中不同频率的辐射信号，发现了一项令人惊奇的现象：吸积盘内部的光学辐射和射电辐射相对于高温热吸积流的硬X射线出现了长时标延迟。延迟的射电信号不可能来自于被硬X射线加热的外吸积盘，而只能是来自于某种发生在吸积盘中的，持续的物理过程。
对于薄吸积盘，如果只考虑引力，吸积盘中气体的运动与太阳系中行星绕转恒星所做的开普勒运动相似，越靠近中心气体绕转的速度越快，越是外层的气体绕转的速度越慢。然而，单纯在引力的作用下，气体永远不会掉落进黑洞视界，这是因为没有粒子的碰撞和摩擦来耗散能量。而在现实中，这种内外侧速度的不一致将导致形成类似于摩擦的作用，称为粘滞作用。粘滞作用的存在使气体发热。因此，黑洞的吸积过程最终将被吸积的气体物质的引力势能以辐射形式释放出来，我们也由此可以观测到黑洞。
物质在吸积盘中旋转，就像水在下水道中旋转一样。随着物质向内旋进，它会逐渐靠近黑洞，最终被黑洞吸收。对于超大质量黑洞或者恒星级质量的黑洞，它们的吸积过程的物理都是类似的，但是发射的电磁辐射频率有所差别。
然而，这还不是吸积盘的全部面貌。除去我们看得见的物质以外，还存在着我们“看不见”的磁场。当被吸积的气体物质向内旋进的时候，黑洞会将气体物质的磁场一起向内拖拽。越往中心移动，气体的体积会压缩得越小，各处的截面积也越小。假设磁通量守恒，那么越靠近中心磁力线的密度就会越来越高，也就是磁场越强，因此吸积过程可以起到放大磁场的作用。
当吸积盘内部的磁场随着吸积过程被不断放大，径向朝外的磁场达到和引力相平衡的时候，吸积就会在接近黑洞视界的某处暂停，气体物质将暂时被囚禁在吸积盘里不再自由地落向黑洞视界。这就是磁囚禁盘（magnetically arrested disk, MAD）形成的过程。磁囚禁盘的理论模型已经相当成熟，但是仍然没有直接的观测证据表明磁囚禁盘的存在，我们对于磁囚禁盘的实际形成过程更是知之甚少。
通过观测黑洞X射线双星系统，科学家们可以收集丰富的数据，包括X射线辐射、射电波段和可见光辐射等。这些数据可以帮助我们了解黑洞吸积盘内部的物理过程，以及磁囚禁盘的形成机制。对于这次观测的黑洞X射线双星MAXI J1820+070的爆发，研究者认为，在爆发开始时，气体可以自由向内流动，产生如前所述的硬X射线，而随着吸积流拖拽磁场使内部磁场变强，喷流功率也就是射电辐射随磁场变强而变强。当磁场增强到磁囚禁盘形成时，射电功率达到峰值。因此，导致了射电辐射相对于硬X射线辐射的延迟的就是这样一个磁囚禁盘形成的过程。
此前，尽管多项研究指出M87星系中心的超大质量黑洞周围可能存在磁囚禁盘，但是并未被相关观测确认。这项研究不仅给出了磁囚禁盘存在的最直接观测证据，同时首次揭示了吸积流中的磁场输运过程，破解了磁囚禁盘的形成之谜。这项研究成果将推进对不同量级黑洞吸积的大尺度磁场形成以及喷流供能和加速机制等关键科学问题的解决，引领人们进一步揭开黑洞的神秘面纱。
