每經(jing)編輯｜杜宇

據央視新聞，2023年9月1日，《科學》以長文形式發表了主要基于慧眼衛星觀測結果的黑洞吸積磁場的最新研究成果。該項研究利用我國首顆空間X射線天文衛星慧眼號的觀測數據，聯合地面射電和光學望遠鏡觀測，發現了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接觀測證據。該研(yan)究工作(zuo)由武漢(han)大學、浙江大學、中國科學院上海天文臺、中國科學院高能物(wu)理研(yan)究所、南(nan)京大學、中國科學技(ji)術大學、法國斯特拉斯堡天文臺、波蘭理論物(wu)理中心等單位共同(tong)完成(cheng)。

黑洞捕獲氣體的物理過程被稱為“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。吸積流中的黏滯過程能夠有效地釋放其引力勢能，部分地轉化為輻射能，產生多波段輻射被地面、空間望遠鏡所觀測到。因此，通過對氣體的吸積，黑洞間接地彰顯了自己的存在。對這些輻射的觀測已成為研究黑洞的重要途徑。

2019年，“事件視界望遠鏡(jing)”（EHT）合作組(zu)織發布了(le)(le)人類歷史上第(di)一(yi)張黑(hei)(hei)洞(dong)照(zhao)片（M87），揭開了(le)(le)我們能“看到”的(de)黑(hei)(hei)洞(dong)及其(qi)周(zhou)(zhou)圍(wei)環境的(de)神秘面紗。然(ran)(ran)而(er)，在黑(hei)(hei)洞(dong)周(zhou)(zhou)圍(wei)同樣存(cun)在著“看不到”的(de)磁(ci)場(chang)。黑(hei)(hei)洞(dong)吸積(ji)氣體的(de)同時，也會(hui)向內拖曳磁(ci)場(chang)。理論認為，隨著吸積(ji)氣體將外部弱磁(ci)場(chang)持續帶入，吸積(ji)流內區磁(ci)場(chang)會(hui)逐漸增強。相(xiang)應(ying)地，磁(ci)場(chang)對(dui)吸積(ji)流的(de)向外磁(ci)力(li)作用(yong)也將逐漸增強，并最(zui)終與黑(hei)(hei)洞(dong)的(de)向內引力(li)相(xiang)抗衡。此時，吸積(ji)物質(zhi)便被磁(ci)場(chang)所(suo)囚(qiu)(qiu)禁(jin)(jin)，而(er)無法(fa)自由地、快速地掉(diao)入黑(hei)(hei)洞(dong)視界面，即形成磁(ci)囚(qiu)(qiu)禁(jin)(jin)盤。磁(ci)囚(qiu)(qiu)禁(jin)(jin)盤理論模型(xing)已經發展得(de)(de)非(fei)常成熟，成功(gong)地解釋(shi)了(le)(le)黑(hei)(hei)洞(dong)吸積(ji)系統的(de)許多(duo)復雜觀測(ce)(ce)現象。然(ran)(ran)而(er)，至(zhi)今(jin)還沒(mei)(mei)有磁(ci)囚(qiu)(qiu)禁(jin)(jin)盤存(cun)在的(de)直接觀測(ce)(ce)證據，磁(ci)囚(qiu)(qiu)禁(jin)(jin)盤是如何形成的(de)更是一(yi)個未解之謎。多(duo)項研究指出M87星系中(zhong)心的(de)超大(da)質(zhi)量黑(hei)(hei)洞(dong)周(zhou)(zhou)圍(wei)可能存(cun)在著磁(ci)囚(qiu)(qiu)禁(jin)(jin)盤。但(dan)是，即使(shi)是EHT對(dui)M87極高分辨(bian)率(lv)的(de)觀測(ce)(ce)，獲得(de)(de)了(le)(le)其(qi)黑(hei)(hei)洞(dong)附近磁(ci)場(chang)信息(xi)（位型(xing)等），仍然(ran)(ran)沒(mei)(mei)能確認磁(ci)囚(qiu)(qiu)禁(jin)(jin)盤的(de)存(cun)在。

除了星系中心的超大質量黑洞，宇宙中還存在著恒星級黑洞。目前，天文學家已經在許多雙星系統之中探測到恒星級黑洞的存在，其質量一般是太陽質量的十倍左右。科研團隊利用對黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發時的多波段觀測數據觀測到前所未見的長時標延遲現象：噴流的射電輻射和吸積流外區的光學輻射，分別滯后于吸積流內區高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線約8天和17天。科研團隊指出，吸(xi)積盤外區弱磁(ci)場被黑洞(dong)周圍熱吸(xi)積流(liu)帶(dai)入而(er)(er)增強，吸(xi)積流(liu)徑向尺度越大磁(ci)場增強越明(ming)顯。研究團隊通過(guo)分析X射線(xian)觀測(ce)數據發現：硬X射線(xian)輻射隨(sui)吸(xi)積率(lv)減小而(er)(er)下(xia)降(jiang)，而(er)(er)熱吸(xi)積流(liu)徑向尺度隨(sui)吸(xi)積率(lv)下(xia)降(jiang)而(er)(er)快速膨脹，使得(de)黑洞(dong)附近磁(ci)場迅速增強，因而(er)(er)在硬X射線(xian)輻射峰(feng)值之(zhi)后約8天形成磁(ci)囚(qiu)禁(jin)盤。

這項(xiang)工作第(di)一次揭示了(le)吸(xi)(xi)積(ji)流(liu)中的磁場(chang)輸運(yun)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)，及黑洞附(fu)近熱吸(xi)(xi)積(ji)流(liu)中形成(cheng)磁囚(qiu)禁盤(pan)(pan)的完整過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)。因而(er)，成(cheng)為(wei)迄今為(wei)止，磁囚(qiu)禁盤(pan)(pan)存在(zai)的最直接觀(guan)測證據。由于物理(li)過(guo)(guo)程(cheng)(cheng)的普(pu)適(shi)性，這項(xiang)研(yan)究成(cheng)果(guo)將極大地推進對不(bu)同量級黑洞吸(xi)(xi)積(ji)盤(pan)(pan)大尺度磁場(chang)形成(cheng)及噴流(liu)加速(su)機(ji)制等(deng)關鍵科學問題的理(li)解(jie)。

此外，研究團隊通過(guo)對黑洞(dong)X射(she)線(xian)雙星爆發過(guo)程的(de)數值(zhi)模擬，第一次揭示(shi)了在黑洞(dong)吸(xi)(xi)積(ji)即將終止時，由(you)于硬X射(she)線(xian)的(de)照(zhao)射(she)，更多(duo)的(de)外區吸(xi)(xi)積(ji)物質會由(you)于不穩(wen)定(ding)性而(er)加(jia)速(su)落(luo)向黑洞(dong)，致使吸(xi)(xi)積(ji)流外區產生光學閃(shan)耀，峰值(zhi)滯后于熱(re)吸(xi)(xi)積(ji)流的(de)硬X射(she)線(xian)輻射(she)峰值(zhi)約(yue)17天。

中國天眼FAST揭秘黑洞“脈搏”

據央視新聞，記者從中國(guo)(guo)科學(xue)(xue)院國(guo)(guo)家天(tian)文臺獲悉，北京時間(jian)2023年7月26日(ri)，國(guo)(guo)際(ji)科學(xue)(xue)期刊《自然》雜(za)志（Nature）發(fa)表了圍繞(rao)中國(guo)(guo)天(tian)眼FAST的(de)(de)最(zui)新科研成果。武漢大學(xue)(xue)物理科學(xue)(xue)與(yu)技術(shu)學(xue)(xue)院天(tian)文學(xue)(xue)系與(yu)中國(guo)(guo)科學(xue)(xue)院國(guo)(guo)家天(tian)文臺聯合領導(dao)的(de)(de)國(guo)(guo)際(ji)合作(zuo)研究論文“Sub-second periodic radio oscillations in a microquasar”（微類星(xing)體中的(de)(de)亞秒級周期射電振蕩(dang)），揭示(shi)了黑洞噴流的(de)(de)復雜(za)動力學(xue)(xue)特性。

微類星(xing)(xing)體(ti)是(shi)銀河系內(nei)由一顆(ke)中子(zi)星(xing)(xing)或(huo)黑洞(dong)(dong)與(yu)一顆(ke)普(pu)通恒星(xing)(xing)組成的(de)(de)雙星(xing)(xing)系統，中子(zi)星(xing)(xing)或(huo)黑洞(dong)(dong)吸積(ji)恒星(xing)(xing)的(de)(de)物質產生高(gao)溫的(de)(de)吸積(ji)盤(pan)及相(xiang)對論性的(de)(de)噴(pen)流(liu)，在觀測(ce)上表現為間(jian)(jian)歇(xie)性或(huo)長期變化的(de)(de)X射(she)線和(he)(he)射(she)電輻射(she)，是(shi)研究強引力場和(he)(he)相(xiang)對論物理的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)天然實驗室。GRS 1915+105是(shi)一顆(ke)著名(ming)的(de)(de)微類星(xing)(xing)體(ti)，含有一個快速(su)旋轉的(de)(de)黑洞(dong)(dong)，并觀測(ce)到視超光(guang)速(su)運動(dong)的(de)(de)射(she)電噴(pen)流(liu)，是(shi)研究極端高(gao)能(neng)物理過(guo)程的(de)(de)重要(yao)樣(yang)本。自發(fa)現起近30多年來，該黑洞(dong)(dong)一直具有豐富的(de)(de)X射(she)線光(guang)變特征(zheng)和(he)(he)間(jian)(jian)歇(xie)性射(she)電噴(pen)流(liu)，但(dan)我們對黑洞(dong)(dong)噴(pen)流(liu)的(de)(de)動(dong)力學和(he)(he)快速(su)光(guang)變的(de)(de)起源依(yi)然不清楚。

為(wei)(wei)了揭開微類(lei)星體的相對(dui)(dui)論性噴流的神秘面紗(sha)，國際(ji)合作研(yan)(yan)究(jiu)團隊自(zi)2020年(nian)至2022年(nian)利(li)用FAST對(dui)(dui)GRS 1915+105首次開展高(gao)時間精度的射(she)電連(lian)續譜光變和(he)偏振(zhen)監測(ce)(ce)。利(li)用FAST高(gao)采樣和(he)探測(ce)(ce)靈敏度優勢，在2021年(nian)1月和(he)2022年(nian)6月的兩次觀測(ce)(ce)均發現黑(hei)洞存在微弱的射(she)電脈搏，脈搏周(zhou)(zhou)期約為(wei)(wei)0.2秒。這個(ge)脈搏周(zhou)(zhou)期不穩定，而且大部分時間無(wu)法探測(ce)(ce)，因此(ci)稱之為(wei)(wei)準周(zhou)(zhou)期振(zhen)蕩。該(gai)合作研(yan)(yan)究(jiu)成果中，武漢大學田鵬夫、張平博士、王偉教(jiao)授(shou)及國家天文(wen)臺王培副研(yan)(yan)究(jiu)員為(wei)(wei)共同(tong)第一作者(zhe)，國家天文(wen)臺劉繼(ji)峰研(yan)(yan)究(jiu)員、姜鵬研(yan)(yan)究(jiu)員、李(li)菂(di)研(yan)(yan)究(jiu)員等是共同(tong)作者(zhe)。

這一成果是國際首次觀測到微類星體中亞秒級的低頻射電準周期振蕩的現象，并揭示黑洞系統的該準周期振蕩現象與相對論性噴流直接相關。此次黑洞射電(dian)輻(fu)射脈搏的發(fa)現，對(dui)于揭示致(zhi)密天(tian)體相對(dui)論(lun)性射電(dian)噴(pen)流的起(qi)源(yuan)與動力(li)學過(guo)程具有重要科(ke)學意義(yi)，將打開黑洞射電(dian)觀測和理論(lun)研究的新思(si)路(lu)。

天文學家首次拍攝到黑洞與噴流“全景照”

2019年，“事件(jian)視界望(wang)遠(yuan)鏡”（EHT）合作組(zu)織(zhi)發布了人類歷史上第一張黑(hei)洞照片(pian)（M87），揭開了我們能“看(kan)到”的黑(hei)洞及其周圍(wei)環境的神秘(mi)面紗。

據央視(shi)新聞，中(zhong)國科學院上海天文臺(tai)路(lu)如森研究員(yuan)領導的國際科研團隊在(zai)M87黑洞的成(cheng)像研究方面取得最(zui)新進展，成(cheng)功(gong)實現了對M87黑洞及(ji)其周圍吸(xi)積流(liu)和噴流(liu)的共同(tong)成(cheng)像探測(ce)。這一(yi)成(cheng)果北京時(shi)間(jian)2023年4月26日晚(wan)在(zai)國際學術期刊《自然》在(zai)線發表。

最(zui)新(xin)拍攝的(de)M87黑洞及噴(pen)流照(zhao)片(pian) 圖片(pian)來源：央視新(xin)聞

據了(le)解(jie)，與此前“事(shi)件視界望遠鏡”合作組織(zhi)拍攝的照(zhao)片不同的是(shi)(shi)，之前的是(shi)(shi)黑(hei)洞(dong)(dong)的“特寫”，人(ren)們能夠(gou)看到(dao)的是(shi)(shi)亮環(huan)圍繞著中(zhong)(zhong)間(jian)的黑(hei)洞(dong)(dong)陰(yin)影(ying)。而這次拍攝到(dao)的則(ze)是(shi)(shi)“全景”，在這張照(zhao)片中(zhong)(zhong)有(you)黑(hei)洞(dong)(dong)、黑(hei)洞(dong)(dong)周圍的吸(xi)積流以(yi)及從(cong)吸(xi)積盤附(fu)近延伸向遠處的噴流。作為(wei)事(shi)件視界望遠鏡黑(hei)洞(dong)(dong)照(zhao)片的拓展，充(chong)分展現了(le)黑(hei)洞(dong)(dong)和它周圍環(huan)境的關(guan)系。

北京大學科維(wei)理(li)(li)天文(wen)與天體(ti)物理(li)(li)研(yan)究所所長何子山教授介紹，這次是在(zai)2019年人類首張黑(hei)洞(dong)照片的(de)(de)基礎上，進(jin)一步驗證了大質量黑(hei)洞(dong)的(de)(de)存(cun)在(zai)。并通過完整的(de)(de)成像，使人們進(jin)一步了解(jie)了中央超大質量黑(hei)洞(dong)附近(jin)的(de)(de)吸積流與噴流之間的(de)(de)聯系。

M87是目前(qian)宇宙(zhou)中(zhong)所(suo)知質(zhi)量(liang)(liang)最大(da)的(de)(de)黑(hei)洞(dong)(dong)之一，其質(zhi)量(liang)(liang)是太陽質(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)65億倍。它位于梅西耶87星(xing)系(xi)(xi)(xi)——即(ji)室女座星(xing)系(xi)(xi)(xi)團中(zhong)央(yang)巨橢圓星(xing)系(xi)(xi)(xi)的(de)(de)中(zhong)心(xin)，距離地球(qiu)約5500萬光年。M87星(xing)系(xi)(xi)(xi)的(de)(de)中(zhong)心(xin)黑(hei)洞(dong)(dong)能驅動能量(liang)(liang)巨大(da)的(de)(de)噴流(liu)，速度接(jie)近(jin)光速，可以延(yan)展至星(xing)系(xi)(xi)(xi)以外很遠處。

最新拍攝(she)的M87黑洞(dong)及噴流照片(pian) 圖片(pian)來源(yuan)：央(yang)視新聞

每日經濟(ji)新聞綜合(he)央視新聞