吸积盘中的物质为何会被困在黑洞外?科学家观察到可能是磁场在抵抗黑洞的引力

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黑洞会吞噬周围的物质,形成一个旋转的吸积盘。但理论还预测,吸积盘中的部分物质会被强大的磁场束缚,无法落入黑洞。最近,科学家就利用我国 X 射线天文卫星“慧眼”等多台望远镜,首次观测到了这种现象。

文 | 陈强

近日,科学家利用我国第一颗 X 射线天文卫星“慧眼”等多台望远镜,对黑洞进行了观测研究,首次揭示了黑洞吸积盘中“磁囚禁盘”的完整形成过程,为探索吸积盘和喷流的奥秘提供了重要线索。该研究成果已于 9 月 1 日发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上。

这项研究工作是由武汉大学、浙江大学、中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、法国斯特拉斯堡天文台、波兰理论物理中心等单位共同完成的。

黑洞的吸积盘可囚禁物质?

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一,它具有强大的引力,能够吞噬周围的物质。当物质被吸向黑洞时,它们会在黑洞周围形成一个旋转的盘形结构,叫作“吸积盘”。

吸积盘内物质之间会发生剧烈的摩擦,产生大量的热量,并发出可见光、X 射线等各种电磁辐射,偶尔还会发出可产生无线电波辐射的喷流。通过观测这些辐射,我们可以“看到”黑洞,并能分析出周围的物质分布和运动状态。

此外,吸积盘还会受到磁场的影响。理论认为,吸积的物质会将外部的弱磁场持续带入,这会导致越靠近吸积盘内部,磁场就越强。当磁场达到一定强度时,它能会对物质产生向外的推力,并与黑洞引力相抗衡。这样,在靠近黑洞的吸积盘区域,物质就会被磁场所囚禁,无法掉进黑洞。这部分的吸积盘被称为“磁囚禁盘”(magnetically arrested disk)。

虽然关于磁囚禁盘的理论已经提出多年,并且能够解释一些黑洞吸积现象,但在此之前还没有关于磁囚禁盘存在的直接观测证据。

辐射的不同步揭示磁囚禁盘的形成

最近,科学家利用我国第一颗 X 射线天文卫星“慧眼”等多台望远镜,在 X 射线、光学和无线电波等波段,对黑洞 X 射线双星 MAXI J1820+070 进行了观测。这是一个离我们大约有 1 万光年远的双星系统,由一颗黑洞(质量大约是太阳的 8 倍)和一颗恒星构成。其中,恒星的部分物质被黑洞吸走并形成了吸积盘。

这类双星系统在大部分时间里处在平静状态,发出很少的电磁辐射。然而,它们偶尔会进入持续数月或者数年的爆发阶段,会发出强烈的 X 射线。这样的双星系统被称为黑洞 X 射线双星,它们为科学家提供了一个难得的机会,来观测黑洞吸积盘的演化过程。

通过对观测数据的分析,这些科学家发现了一个非常有趣的现象:与紧靠黑洞的超亮 X 射线抵达峰值的时间相比,无线电波辐射抵达峰值的时间滞后了大约 8 天。科学家认为,这么长的滞后现象,是由于黑洞吸积盘中磁囚禁盘形成时导致的。

具体来说,当黑洞爆发即将结束时,由于吸积率下降,高温的吸积物质的径向尺度会快速膨胀,这个过程会使得黑洞附近磁场迅速增强。这样,靠近黑洞的区域就会出现强磁场,并逐渐产生喷流。在 X 射线辐射峰值之后约 8 天,这个区域就形成了磁囚禁盘。此时,喷流的无线电波辐射就会抵达峰值。

此外,科学家还观测到,由于 X 射线的照射,更多的外部物质会由于不稳定性而加速向内移动,并在吸积盘外区产生可见光波段的闪耀。在 X 射线辐射峰值之后约 17 天,可见光辐射就会出现峰值。

这些观测结果首次揭示了黑洞吸积盘中磁囚禁盘形成的完整过程,为理解吸积盘高强磁场的形成,以及喷流产生和加速机制提供了重要线索。由于不同质量的黑洞吸积物质服从相同的物理规律,这项研究成果也有助于推进对超大质量黑洞等其他类型黑洞吸积的认知。

参考文献:

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

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