中國(guó)“慧眼”探秘黑洞

黑洞是宇宙中一種神秘天體，具有很強(qiáng)的引力，以至于能夠吞噬一切物質(zhì)，甚至連光也無(wú)法逃脫。然而，正是由于黑洞本身及其周圍存在著種種不可思議的物理現(xiàn)象，讓無(wú)數(shù)天文學(xué)家為之著迷。

最近，來(lái)自武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，以及法國(guó)斯特拉斯堡天文臺(tái)、波蘭理論物理中心等國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，利用我國(guó)第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱“慧眼”衛(wèi)星），并聯(lián)合地面上的射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，對(duì)一個(gè)編號(hào)為MAXI J1820+070的黑洞X射線雙星展開(kāi)觀測(cè)，解開(kāi)了這個(gè)黑洞的謎團(tuán)。這支由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過(guò)程的直接證據(jù)，并在國(guó)際頂尖期刊《科學(xué)》上發(fā)表了這項(xiàng)最新研究成果。

什么是黑洞

我們現(xiàn)在常說(shuō)的黑洞的定義源自愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。黑洞指的是一個(gè)時(shí)空區(qū)域，該區(qū)域的邊界被稱為視界。視界之內(nèi)的物質(zhì)和輻射無(wú)法從中逃離，而視界之外的物質(zhì)和輻射雖然可以進(jìn)入視界，但進(jìn)入后卻再也無(wú)法逃出來(lái)。

如果我們只學(xué)過(guò)牛頓的經(jīng)典理論而不懂廣義相對(duì)論，那么該怎樣理解黑洞呢？我們可以設(shè)想這樣一個(gè)場(chǎng)景：從某個(gè)天體上發(fā)射一枚火箭，當(dāng)火箭的速度達(dá)到逃逸速度時(shí)，就能克服天體的引力飛向遠(yuǎn)方。以地球?yàn)槔?，我們可以根?jù)公式算出逃逸速度是每秒11.2公里，也被稱為第二宇宙速度。

如果逃逸速度比光速還大，那么當(dāng)太陽(yáng)坍縮到半徑小于3000米時(shí)，其發(fā)出的光都無(wú)法從這個(gè)半徑以內(nèi)的區(qū)域逃離出來(lái)，這就形成了黑洞，3000米的半徑就可以被視為黑洞的半徑。

根據(jù)2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者彭羅斯、曼哈頓計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)者奧本海默等人的論文描述，質(zhì)量足夠大的恒星在耗盡其熱核能后將會(huì)在自身引力作用下坍縮，最終形成黑洞。這是天文學(xué)家研究最多的黑洞之一，即作為恒星遺骸的恒星級(jí)黑洞。黑洞X射線雙星MAXI J1820+070中的黑洞就屬于這一類。

還有一類黑洞，天文學(xué)家也很關(guān)心，那就是星系級(jí)超大質(zhì)量黑洞。比如，科學(xué)家在銀河系中心就發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量高達(dá)數(shù)百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。該成果獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此外，我們或許還記得，事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝到了人類首張黑洞照片，就是M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞。

什么是黑洞X射線雙星

天鵝座X-1是人類首個(gè)確認(rèn)的黑洞，也是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞X射線雙星。1974年，霍金和2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者基普·索恩就天鵝座X-1是否真的是一個(gè)黑洞打過(guò)賭，但答案直到近30年后才被揭曉。

那么，什么是黑洞X射線雙星呢？既然黑洞本身不發(fā)光，我們又如何觀測(cè)、確認(rèn)并研究它呢？

X射線雙星是由一個(gè)致密天體和一顆作為伴星的恒星相互繞轉(zhuǎn)組成的雙星系統(tǒng)。如果致密天體是黑洞，我們稱之為黑洞X射線雙星。通過(guò)觀測(cè)伴星及其圍繞黑洞的運(yùn)動(dòng)，天文學(xué)家可以測(cè)定黑洞的質(zhì)量。例如，天鵝座X-1中黑洞的質(zhì)量經(jīng)這種方式測(cè)得約15倍太陽(yáng)質(zhì)量（最新結(jié)果為21倍太陽(yáng)質(zhì)量），遠(yuǎn)超中子星的質(zhì)量上限，即奧本海默極限，約為3倍太陽(yáng)質(zhì)量，因此確認(rèn)為黑洞。

在X射線雙星中，恒星的氣體被黑洞的引力捕獲，形成一個(gè)圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的盤狀物，即吸積盤。這個(gè)過(guò)程被稱為吸積。這些落向黑洞的氣體則被稱為吸積流。雖然黑洞本身不發(fā)光，但當(dāng)氣體從吸積盤墜入黑洞時(shí)，由于吸積流物質(zhì)之間的黏滯作用，引力能釋放出來(lái)，部分轉(zhuǎn)化為X射線。此外，在吸積盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向上，黑洞還會(huì)發(fā)射相對(duì)論性的高速物質(zhì)流，即噴流，這也會(huì)產(chǎn)生X射線。我們可以觀測(cè)這些X射線，并從中提取黑洞的相關(guān)信息進(jìn)行研究。

需要說(shuō)明的是，X射線跟我們所看到的可見(jiàn)光或手機(jī)接收到的無(wú)線電波沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，都是電磁波，只是X射線的能量較高，可以高達(dá)幾百到幾十萬(wàn)電子伏特，波長(zhǎng)較短，約為0.01—10納米。X射線幾乎無(wú)法穿透地球的大氣層，因此需要通過(guò)衛(wèi)星等航天器進(jìn)入太空開(kāi)展觀測(cè)。

“慧眼”衛(wèi)星是中國(guó)自主研制的第一顆X射線天文衛(wèi)星，也是一個(gè)中等規(guī)模的空間天文臺(tái)，搭載了三組用于觀測(cè)不同能量X射線的望遠(yuǎn)鏡，可以觀測(cè)能量范圍寬達(dá)1—250keV（千電子伏特）的X射線，在測(cè)量黑洞X射線雙星的時(shí)變（天體發(fā)出的光隨時(shí)間變化的信息）和能譜（天體發(fā)出的光隨能量變化的信息）方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于黑洞X射線雙星來(lái)說(shuō)，不同能量的X射線，以及能量更低的可見(jiàn)光和射電波來(lái)自不同的區(qū)域。在越靠近黑洞的地方，氣體的溫度越高，發(fā)射的X射線的能量也就越高。“慧眼”衛(wèi)星可以觀測(cè)能量很高的X射線，這就意味著它能探測(cè)離黑洞很近的區(qū)域。此外，“慧眼”衛(wèi)星可以在很寬的能量范圍內(nèi)獲取高精度的X射線時(shí)變數(shù)據(jù)，從而描繪黑洞周圍區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化全景。

天地聯(lián)測(cè)破解黑洞磁囚禁吸積盤之謎

黑洞X射線雙星通常處于“寧?kù)o”狀態(tài)，但偶爾會(huì)發(fā)生X射線爆發(fā)，這是我們研究它的好時(shí)機(jī)。2018年，離地球約1萬(wàn)光年的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070發(fā)生了爆發(fā)，并在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)成為天空中最亮的X射線天體之一?！盎垩邸毙l(wèi)星抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)，聯(lián)合地面上的光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡，揭開(kāi)了一個(gè)未解之謎。

在黑洞X射線雙星中，黑洞周圍存在著“看不見(jiàn)”的磁場(chǎng)。當(dāng)吸積過(guò)程發(fā)生時(shí)，流向黑洞的氣體會(huì)拖拽磁場(chǎng)一同向內(nèi)，導(dǎo)致吸積流內(nèi)區(qū)的磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，增強(qiáng)的磁場(chǎng)也會(huì)逐漸增強(qiáng)對(duì)吸積流產(chǎn)生的向外磁力，最終能夠與黑洞施加的向內(nèi)引力相抗衡，從而將吸積的氣體禁錮住，避免其快速落入黑洞。這就好像給吸積過(guò)程按下了減速鍵，形成了磁囚禁盤。

盡管磁囚禁盤的理論已經(jīng)非常成熟，但一直沒(méi)有有效的觀測(cè)證據(jù)，其形成過(guò)程更是一個(gè)未解之謎。中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，研究了“慧眼”衛(wèi)星提供的來(lái)自吸積流內(nèi)區(qū)的高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看到的來(lái)自吸積流外區(qū)的光學(xué)輻射和射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的來(lái)自噴流的射電輻射。經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，光學(xué)和射電輻射分別滯后于硬X射線約17天和8天。

這項(xiàng)研究利用X射線、射電和光學(xué)等多個(gè)電磁波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，描繪了黑洞附近吸積流、磁場(chǎng)和噴流的演化全景，第一次揭示了吸積流中磁場(chǎng)輸運(yùn)，以及磁囚禁盤形成的完整過(guò)程。這是迄今為止磁囚禁盤存在的最直接的觀測(cè)證據(jù)，對(duì)于研究其他量級(jí)的黑洞的相應(yīng)過(guò)程有著巨大的推動(dòng)作用。

（作者：尹倩青 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副研究員）