武汉大学合作最新Science

当物质落入黑洞时，它会形成一个吸积盘，发出x射线和可见光，有时还会发出射电波长可见的喷流。理论预测，如果这个盘含有足够强的磁场，那么它就能抵抗黑洞的引力，暂时停止吸积过程。

2023年8月31日，武汉大学游贝、浙江大学曹新伍及中国科学院上海天文台闫震共同通讯在Science 在线发表题为“Observations of a black hole x-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk”的研究论文，该研究首次揭示了黑洞吸积流中磁场运输过程，以及黑洞附近热吸积流中形成磁囚禁盘的完整过程，是对磁囚禁盘理论模型的最直接观测证据，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认知。

在一个由黑洞(BH)和一颗正常恒星组成的双星系统中，气体可以从恒星上剥离出来，并被强大的引力场吸引到黑洞(称为吸积流)，在那里它形成了一个吸积盘。在圆盘中，物质在粘度的作用下向内移动。该系统在X射线波段发射大量辐射，这使得它可以被观察为BH X射线双星(BHXRB)。相对论性喷流可以在黑洞附近发射，因为黑洞附近的吸积流携带的磁场。数值模拟表明，在吸积物质中存在的任何大规模磁场都可以通过吸积流向内拖动，从而增加其强度。如果径向磁力变得足够高，它等于黑洞的引力，理论预测吸积流将停止并形成一个磁囚禁盘(MAD)。

在观测中已经推断出在具有超大质量黑洞的吸积系统中产生足够强的磁场。MADs也被预测会在BHXRBs中形成，尽管观测证据很少。在两种类型的BH(超大质量或恒星质量)中都没有观测到MADs的形成过程。恒星质量黑洞上的吸积流比超大质量黑洞周围的吸积流演化得快得多。例如，BHXRBs中的爆发持续数月至数年，这可能使多波长观测能够探测这些系统中MAD的形成。

BHXRBs的爆发可以用圆盘不稳定性模型来解释。在这个模型中，质量在静止时在一个冷的、几何上薄的吸积盘(以下简称薄盘)中积累。当薄板上的某一点温度高到足以电离氢时，不断增加的质量就会引发热粘性不稳定性。当薄盘将物质排空进入黑洞时，这导致系统进入X射线爆发。在爆发过程中，BHXRBs被观察到处于两种非常不同的光谱状态，即硬态和软态，其中X射线发射主要是硬光子(>10 keV)或软光子(<10 keV)。两种状态的定时和无线电发射特性也不同。这两种状态之间的时间称为状态转换。

黑洞X射线双星MAXI J1820+070的多波段光变（图源自Science ）

在硬状态下，黑洞附近的热气体形成一个日冕——模型为平流主导的吸积流(ADAF)—其中粘性释放的大部分引力能沿着流平流并进入黑洞事件视界。在爆发的初始上升和随后的衰减过程中观察到硬态，称之为上升和衰减硬态。软-硬态跃迁和硬态衰变伴随着硬X射线耀斑。这些耀斑已经在光学、红外和无线电波段被探测到，被认为与喷流的形成有关。然而，其物理机制和过程尚不完全清楚。在耀斑期间的硬X射线通常被解释为射流和/或ADAF中的逆康普顿散射。

吸积流、磁场、喷流演化的示意图（图源自Science ）

该研究比较了在X射线，光学和无线电波长下对瞬态黑洞吸积事件的观测结果。该研究发现了不同波长下变亮之间的时间延迟，并使用模型表明这种行为是由磁囚禁盘产生的。该研究首次揭示了吸积流中的磁场输运过程，以及黑洞附近热吸积流中形成磁囚禁盘的完整过程，是迄今为止磁囚禁盘存在的最直接观测证据。

原文链接：

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

转自：“iNature”微信公众号

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