近日，来自中国科学院上海天文台、中国科学院高能物理研究所、武汉大学、浙江大学等国内外研究机构的科研人员利用我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”等多台望远镜对黑洞X射线双星MAXI J1820+070的爆发事件开展了多波段观测研究，发现黑洞喷流的射电辐射和黑洞吸积流外区的光学辐射相对于吸积流内区高温气体（热吸积流）的硬X射线显示出罕见的长时标延迟现象，分别滞后约8天和17天。这一研究结果首次揭示了黑洞吸积流中磁场运输过程，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，极大地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理解（图1）。相关成果于2023年9月1日发表在国际知名学术期刊《科学》（Science）上。图1，左下小方框中的红色圆点表示黑洞X射线双星MAXI J1820+070在银河系中的大致位置，右侧放大图是黑洞X射线双星的艺术想象图，一个恒星（蓝色）围绕黑洞绕转，它的物质被黑洞吸引形成吸积盘（黄色），中心区域形成了磁场囚禁吸积盘（浅蓝色曲线表示磁场）和两侧的喷流（亮紫色）。左上小图展示了观测到的喷流的射电辐射和吸积流内区的X射线随时间的变化，显示出8天的延迟。
黑洞捕获气体的过程被称为“吸积”，落向黑洞的气体则被称为吸积流，处在等离子体状态。吸积流中的粘滞过程能够有效地释放引力势能，其中一部分能量转化为多波段辐射。这些辐射能够被地面和空间的望远镜所观测到，因此通过观测吸积气体的辐射，我们能够“看到”黑洞，进而帮助天文学家研究黑洞的性质。2019年，“事件视界望远镜”（EHT）合作组织发布了第一张黑洞照片（M87星系中心的超大质量黑洞），让我们能“看到”黑洞及其周围吸积物质。
但除此之外，黑洞周围还存在着“看不见”的磁场。黑洞吸积气体的同时，也会向内拖拽磁场。此前的理论认为，随着吸积气体将外部弱磁场持续带入，越向吸积流内区，磁场越会逐渐增强，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。因此，在靠近黑洞的吸积流内区，当磁场达到一定强度，吸积物质便被磁场所囚禁，而无法自由地掉入黑洞视界面，即形成磁囚禁盘（Magnetically Arrested Disk, MAD）。磁囚禁盘理论已经提出多年，成功地解释了黑洞吸积的一些观测现象。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，以及它的磁场输运机制如何，都是未解之迷。
除了几乎每个星系中心的超大质量黑洞，宇宙中还存在着更多的恒星级质量黑洞。天文学家已经在银河系的许多双星系统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。这类黑洞吸积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。因此，这类双星系统常被称为黑洞X射线双星。
在本次研究中，科研团队利用我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”等多台望远镜对黑洞X射线双星MAXI J1820+070的爆发开展了多波段数据分析，发现其中硬X射线辐射（图2A中橙色圆点）随时间的变化呈现一个峰，射电辐射的峰则发生在8天之后（图2B），喷流的射电辐射和吸积流内区高温气体（热吸积流）的硬X射线之间如此长时标的滞后是前所未见的。这些观测结果表明，吸积盘外区弱磁场被黑洞周围热吸积流带入内区，热吸积流径向尺度随吸积率下降而快速膨胀，热吸积流径向尺度越大，磁场增强越明显，从而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（图3）。论文第一作者、武汉大学的游贝副教授表示，本次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。
图2，黑洞X射线双星MAXI J1820+070的多波段光变。A（上图）是X射线辐射随时间的变化，其中橙色圆点是热吸积流的硬X射线；B（中图）是喷流的射电辐射随时间的变化，可见其峰值滞后硬X射线约8天；C（下图）是吸积盘外区的光学辐射随时间变化，其中橙色圆点是扣除整体下降趋势后呈现的光学辐射的峰，滞后于硬X射线约17天。
图3，吸积流、磁场、喷流演化的示意图。A（上图）对应于图2开始时刻的状态，此时内区的热吸积流（ADAF）尚未形成，磁场很弱，喷流几乎探测不到；B（中图）对应于硬X射线峰值时刻的状态，热吸积流已经形成，并且快速膨胀向内区输运磁场，内区磁场增强，喷流已经产生；C（下图）对应于射电辐射峰值时刻的状态，内区磁场强度达到磁囚禁盘的水平，喷流的射电辐射也达到了峰值。
此外，研究团队还观测到吸积流外区的光学辐射（图2C橙色圆点）罕见地滞后于热吸积流的硬X射线辐射约17天。通过对黑洞X射线双星爆发过程的数值模拟，意外地发现在黑洞爆发即将终止时，由于硬X射线的照射，更多的外区吸积物质会由于不稳定性而加速落向黑洞，致使吸积流外区产生光学闪耀，峰值滞后于热吸积流的硬X射线峰值约17天。
论文通讯作者之一、浙江大学的曹新伍教授指出，由于黑洞吸积物理的普适性，即不同量级黑洞吸积服从相同的物理规律，这项研究成果将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解决。论文通讯作者之一、中国科学院上海天文台的闫震研究员进一步表示，预期未来会在更多的黑洞吸积系统中观测到和MAXI J1820+070相似的现象。
该研究得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、中国科学院青年创新促进会、湖北省自然科学基金、小米基金、上海天文台重点培育项目的支持。
论文标题为“Observations of a black hole X-ray binary indicate formation of a magnetically arrested disk”（黑洞X射线双星的观测揭示了磁囚禁吸积盘的形成过程）。武汉大学游贝副教授为第一作者。武汉大学游贝副教授、浙江大学曹新伍教授和上海天文台闫震研究员为共同通讯作者。法国斯特拉斯堡天文台Jean-Marie Hameury研究员，波兰科学院理论物理中心Bozena Czerny教授，武汉大学2017级本科生吴岳、夏天宇，波兰科学院哥白尼天文中心Marek Sikora教授、Piotr T. Zycki教授，中国科学院高能物理研究所张双南研究员、杜璞研究员为合作者。
科学联系人：
游贝，武汉大学，youbei@whu.edu.cn
曹新伍，浙江大学，xwcao@zju.edu.cn
闫震，中国科学院上海天文台，zyan@shao.ac.cn
