作者:吴纯新 吴江龙 武柳青 来源:科技日报 发布时间:2023/9/3 21:48:31
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武汉大学科研团队揭示黑洞磁囚禁盘直接证据

 

9月1日,记者从武汉大学获悉,该校物理科学与技术学院天文系副教授游贝团队通过对黑洞X射线双星的观测,揭示了磁囚禁吸积盘的形成过程,发现了黑洞磁囚禁盘存在的直接证据。相关研究成果在《科学》杂志发表。

 

游贝介绍,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被称为吸积流,其处在等离子体状态。

吸积流中的粘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。

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,相关观测仍没能确认磁囚禁盘的存在。

目前,天文学家已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。这类双星大部分时间处在宁静态(极其微弱的电磁辐射),偶尔会进入持续数月或者数年的爆发态,产生明亮的X射线。

这类双星系统常被称为黑洞X射线双星。游贝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,其中包括中国第一颗X射线天文卫星慧眼号,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。

科研团队通过分析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。

因物理过程的普适性,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。

(受访单位供图)


 
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