黑洞周围的MAD吸积是如何形成的

一个国际科学团队首次揭示了黑洞吸积流中​​的磁场传输过程以及黑洞附近“MAD”(磁滞盘)的形成。研究人员利用中国首颗X射线天文卫星洞察号-HXMT以及多台望远镜对黑洞X射线双星MAXIJ1820+070爆发事件进行多波长观测研究时发现了这一发现。

他们发现的关键是观察到来自黑洞射流的无线电发射和来自吸积流外部区域的光学发射滞后于来自吸积流内部区域的热气体的硬X射线(即，热吸积流)分别延长了约8天和17天。

这些发现发表在《科学》杂志上上。

该研究由副教授领导。武汉大学尤贝教授、浙江大学曹新武教授和中国科学院上海天文台严震教授。

黑洞捕获气体的过程称为“吸积”，落入黑洞的气体称为吸积流。吸积流内的粘性过程有效地释放了重力势能，其中一部分能量被转化为多波长辐射。这种辐射可以通过地面和太空望远镜观测到，使我们能够“看到”黑洞。

然而，黑洞周围存在“看不见的”磁场。当黑洞吸积气体时，它也会向内拖动磁场。先前的理论认为，随着吸积气体不断引入微弱的外部磁场，磁场向吸积流内部区域逐渐增强。

吸积流上的向外磁力增加并抵消了黑洞向内的引力。因此，在黑洞附近的吸积流内部区域，当磁场达到一定强度时，吸积物质就会被磁场捕获，无法自由落入黑洞。这种现象称为磁滞盘。

MAD理论多年前就被提出，并成功解释了一些与黑洞吸积有关的观测现象。然而，没有直接的观测证据证明MAD的存在，并且MAD的形成和磁传输机制仍然是个谜。

除了超大质量黑洞几乎每个星系中心的天文学家在银河系的许多双星系统中发现了恒星质量的黑洞。这些黑洞的质量通常约为太阳的十倍。

大多数时候，这些黑洞处于静止状态，发射极微弱的电磁辐射。然而，它们偶尔会进入持续数月甚至数年的爆发期，产生明亮的X射线。因此，这些类型的双星系统通常被称为黑洞X射线双星。

在这项研究中，研究人员对黑洞X射线双星MAXIJ1820+070的爆发进行了多波长数据分析。他们观察到硬X射线发射出现一个峰值，八天后无线电发射出现峰值。喷射流的射电发射与热吸积流的硬X射线之间如此长的延迟是前所未有的。

这些观测结果表明，吸积盘外部区域的弱磁场被热气体带入内部区域，并且随着吸积速率的降低，热吸积流的径向范围迅速扩大。热吸积流的径向范围越大，磁场的增加就越大。这导致黑洞附近的磁场迅速增强，导致在硬X射线发射峰值后大约八天形成MAD。

“我们的研究首次揭示了吸积流中的磁场传输过程以及黑洞附近MAD形成的过程。这代表了磁滞盘存在的直接观测证据，”Assoc说。。尤蓓教授，该研究的第一作者、共同通讯作者。

此外，研究小组还观察到吸积流外部区域的光发射与热吸积流的硬X射线之间存在前所未有的延迟(约17天)。通过对黑洞X射线双星爆发的数值模拟发现，当爆发接近尾声时，硬X射线的照射导致更多的吸积物质从最外层区域落向黑洞，原因是：不稳定。这导致吸积流外部区域出现光学耀斑，峰值出现在热吸积流的硬X射线峰值后约17天。

“由于黑洞吸积物理学的普遍性，不同质量尺度的黑洞吸积过程遵循相同的物理定律，这项研究将增进对与大规模磁场形成、喷射动力和加速相关的科学问题的理解该研究的共同通讯作者曹新武教授说：“不同质量尺度黑洞吸积的机制。”

该研究的共同通讯作者颜震教授指出，预计在不久的将来，在更多的吸积黑洞系统中也会观察到与MAXIJ1820+070中观察到的类似现象。