黑洞能肆無忌憚地吞噬物質(zhì)？錯(cuò)！磁囚禁吸積盤了解一下

浩瀚深邃的宇宙空間吸引無數(shù)科學(xué)家窮盡一生去探索。其中最神秘的，便是隱藏在黑暗中的幽深“洞穴”——黑洞。作為現(xiàn)代物理學(xué)的極限天體，黑洞的強(qiáng)大引力讓其如宇宙中的饕餮巨獸一般吞噬一切，連光都無法逃脫。早在1783年，英國科學(xué)家米歇爾（John Michell）就曾提出，“如果一個(gè)天體的密度和太陽一樣，大小是太陽的500倍，那么光都無法從這個(gè)天體逃脫”。同時(shí)代，1796年，法國科學(xué)家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在他的《宇宙體系論》中也給出了類似的預(yù)言。1799年，他給出了詳細(xì)的計(jì)算過程，得到“一個(gè)密度和地球一樣（太陽密度的4倍），大小是太陽250倍的天體可以把光囚禁”。愛因斯坦的廣義相對論也預(yù)言了存在這樣的天體。在1967年的一次會議上，美國物理學(xué)家惠勒 ( John Wheeler)，把這種天體稱為“黑洞”（black hole）。

而如今，科學(xué)家們在探究黑洞奧秘的道路上不斷邁進(jìn)。日前，我國天文學(xué)家利用多波段觀測數(shù)據(jù)，揭示了黑洞周圍的磁場輸運(yùn)和磁囚禁盤的形成過程，該項(xiàng)研究9月1日發(fā)表在世界權(quán)威的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。

01 我們能看到黑洞嗎？能！吸積讓我們“看到”黑洞

黑洞周圍的物質(zhì)會由于巨大的引力作用被黑洞“捕獲”，這個(gè)現(xiàn)象稱為“黑洞吸積”。被吸積的物質(zhì)不是像自由落體一樣掉入黑洞，而是會形成一個(gè)吸積盤并圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)，最終被黑洞吞噬（想象一下你家虹吸式抽水馬桶的水）。

大質(zhì)量恒星最終會演化成黑洞，其質(zhì)量是太陽的幾倍到二三十倍。在兩顆恒星相互繞轉(zhuǎn)的雙星系統(tǒng)中，如果其中一顆恒星演化成了黑洞，當(dāng)另一顆恒星足夠靠近黑洞時(shí)，它的物質(zhì)就會被黑洞吸積，形成的吸積盤溫度很高，最內(nèi)區(qū)甚至達(dá)到上千萬度，會輻射出非常強(qiáng)烈的X射線，因此這類雙星被稱為黑洞X射線雙星。當(dāng)然，它們的輻射不僅在X射線，而是幾乎覆蓋全部電磁波段。

天文學(xué)家估計(jì)，在我們銀河系中可能有上千萬顆黑洞存在于雙星系統(tǒng)中，但是迄今為止，我們僅僅發(fā)現(xiàn)了幾十顆?？赡?strong>它們中的絕大多數(shù)并沒有從伴星吸積物質(zhì)或者吸積極少的物質(zhì)，因此我們“看不到”。

大部分的黑洞X射線雙星長時(shí)間處于寧靜狀態(tài)，只有很少的物質(zhì)被黑洞吸積。隨著物質(zhì)在吸積盤中積累，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)了吸積盤的不穩(wěn)定性，進(jìn)入爆發(fā)態(tài)，大量的物質(zhì)進(jìn)入吸積盤內(nèi)區(qū)，輻射出強(qiáng)烈的X射線，最終掉入黑洞。爆發(fā)時(shí)的亮度會比寧靜態(tài)增加上萬倍甚至上百萬倍。

2018年3月，距離我們大約一萬光年的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070進(jìn)入了爆發(fā)態(tài)，在爆發(fā)峰值附近的時(shí)候是天空中最亮的X射線源 （見視頻1）。全球各地的很多望遠(yuǎn)鏡都監(jiān)測了這次爆發(fā)，包括射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線和伽馬射線。我國第一顆X射線天文衛(wèi)星慧眼也對這次爆發(fā)進(jìn)行了持續(xù)地監(jiān)測?；谶@些大量的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家們得以研究黑洞性質(zhì)以及黑洞的吸積和噴流。

視頻1：每一個(gè)圓點(diǎn)都是一個(gè)X射線源，圓點(diǎn)的大小代表了亮度。紅色圓點(diǎn)是黑洞X射線雙星MAXI J1820+070,下面的曲線是它的亮度隨時(shí)間的變化 （銀河系背景來自ESA/Gaia/DPAC）。

02 吸積盤怎么動？能吸積多少物質(zhì)？黑洞周圍的磁場“話語權(quán)”很大！

磁場在宇宙中無處不在，我們的太陽就擁有磁場，平靜區(qū)域的磁場大概1-2高斯，黑子區(qū)域的磁場可以達(dá)到三四千高斯。一種被稱為磁星的天體擁有宇宙中最強(qiáng)的磁場，可以達(dá)到10的15次方高斯。

根據(jù)黑洞無毛定理，黑洞本身是不帶磁場的，被黑洞吸積的物質(zhì)通常是等離子體狀態(tài)，它們是攜帶磁場的，這些無序的微觀磁場可以使物質(zhì)損失角動量，才會逐漸掉入黑洞。

人們認(rèn)為黑洞周圍應(yīng)該還存在大尺度磁場，其中一個(gè)重要的原因就是噴流的產(chǎn)生需要大尺度磁場。帶電粒子在這種大尺度磁場中運(yùn)動，產(chǎn)生的輻射會有偏振，通過射電的偏振觀測我們知道了在超大質(zhì)量黑洞的噴流中確實(shí)存在大尺度磁場。

在2021年發(fā)布的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的偏振照片中，發(fā)現(xiàn)黑洞附近也存在大尺度磁場 （圖1）。對于銀河系內(nèi)的黑洞X射線雙星，雖然它們距離更近，但是由于黑洞尺度太小，我們現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡還無法對其成像。

大尺度磁場的存在會對黑洞附近的吸積流產(chǎn)生顯著影響，比如徑移速度（徑移就是朝向黑洞移動）和吸積率（單位時(shí)間內(nèi)吸積的質(zhì)量），還會產(chǎn)生很強(qiáng)的外流（物質(zhì)向外運(yùn)動）。因此磁場的存在會帶來很多其他的觀測效應(yīng)。

圖1. M87星系中心超大質(zhì)量黑洞極其噴流的偏振觀測圖像，彎曲的亮條紋顯示了大尺度磁場的分布。上面是1300光年尺度的噴流，中間是0.25光年尺度的噴流，下面是黑洞周圍0.0063光年（400 AU）尺度的圖像。(圖片來自: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal)

03 “瘋狂”的吸積——磁囚禁吸積盤的形成

天文學(xué)家普遍認(rèn)為吸積盤的外區(qū)存在比較弱的大尺度磁場，會隨著吸積流向內(nèi)運(yùn)動。由于黑洞只會“吞噬”物質(zhì)，并不會“吞噬”磁場，因而磁場會在黑洞附近堆積，逐漸增強(qiáng)。

有一種吸積流，叫做“徑移主導(dǎo)”吸積流(advecction dominated accretion flow, ADAF)，顧名思義，在這種吸積流中，物質(zhì)掉入黑洞的速度非?？臁Ｍ獠康奈⑷醮艌鰰晃e流拖拽著，快速地在黑洞附近增強(qiáng)。當(dāng)磁場對吸積物質(zhì)的電磁力能夠和黑洞引力抗衡時(shí)，會大大降低物質(zhì)掉入黑洞的速度，可能只有原來速度的十分之一甚至百分之一，就像被磁場囚禁了一樣，被稱為磁囚禁吸積盤，magnetically arrested disk (MAD) ——“瘋狂”吸積流。

武漢大學(xué)、浙江大學(xué)和中國科學(xué)院上海天文臺等科研單位的研究人員，分析了黑洞X射線雙星MAXI J1820+070爆發(fā)的多波段數(shù)據(jù)，揭示了徑移主導(dǎo)吸積流逐漸擴(kuò)張并且輸運(yùn)磁場的過程，計(jì)算結(jié)果表明，它的大小在十幾天內(nèi)膨脹了30倍，尺寸越大，越容易把外部的弱磁場快速地帶入吸積流內(nèi)區(qū)，最終使得最內(nèi)區(qū)的磁場強(qiáng)度達(dá)到了磁囚禁吸積盤標(biāo)準(zhǔn) （視頻2）。

視頻2，隨著徑移主導(dǎo)吸積流的膨脹，磁場被快速帶入吸積流內(nèi)區(qū)，最終形成磁囚禁吸積盤（MAD）。視頻來自論文https://doi.org/10.1126/science.abo4504。

看似與日常生活毫不相關(guān)的黑洞，是研究宇宙起源、演化和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題之一，并深遠(yuǎn)地影響了科學(xué)、技術(shù)乃至人類生產(chǎn)生活方式的進(jìn)步。如今，人類對時(shí)空的理解還遠(yuǎn)未到盡頭。對未知的探索，正驅(qū)使著科學(xué)家們勇于嘗試打破宇宙極限思考的禁錮，從而產(chǎn)生更多偉大的發(fā)現(xiàn)。

作者：閆震 中國科學(xué)院上海天文臺 研究員

審核：游貝 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 副教授

出品：科普中國

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、中科數(shù)創(chuàng)（北京）數(shù)字傳媒有限公司