中国“慧眼”探秘黑洞

黑洞是宇宙中一种神秘天体，具有很强的引力，以至于能够吞噬一切物质，甚至连光也无法逃脱。然而，正是由于黑洞本身及其周围存在着种种不可思议的物理现象，让无数天文学家为之着迷。

最近，来自武汉大学、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，以及法国斯特拉斯堡天文台、波兰理论物理中心等国内外科研机构的科学家，利用我国第一颗空间X射线天文卫星——“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星（简称“慧眼”卫星），并联合地面上的射电望远镜和光学望远镜，对一个编号为MAXI J1820+070的黑洞X射线双星展开观测，解开了这个黑洞的谜团。这支由中国科学家领导的科研团队，发现了黑洞周围磁囚禁吸积盘形成过程的直接证据，并在国际顶尖期刊《科学》上发表了这项最新研究成果。

什么是黑洞

我们现在常说的黑洞的定义源自爱因斯坦的广义相对论。黑洞指的是一个时空区域，该区域的边界被称为视界。视界之内的物质和辐射无法从中逃离，而视界之外的物质和辐射虽然可以进入视界，但进入后却再也无法逃出来。

如果我们只学过牛顿的经典理论而不懂广义相对论，那么该怎样理解黑洞呢？我们可以设想这样一个场景：从某个天体上发射一枚火箭，当火箭的速度达到逃逸速度时，就能克服天体的引力飞向远方。以地球为例，我们可以根据公式算出逃逸速度是每秒11.2公里，也被称为第二宇宙速度。

如果逃逸速度比光速还大，那么当太阳坍缩到半径小于3000米时，其发出的光都无法从这个半径以内的区域逃离出来，这就形成了黑洞，3000米的半径就可以被视为黑洞的半径。

根据2020年诺贝尔物理学奖获得者彭罗斯、曼哈顿计划领导者奥本海默等人的论文描述，质量足够大的恒星在耗尽其热核能后将会在自身引力作用下坍缩，最终形成黑洞。这是天文学家研究最多的黑洞之一，即作为恒星遗骸的恒星级黑洞。黑洞X射线双星MAXI J1820+070中的黑洞就属于这一类。

还有一类黑洞，天文学家也很关心，那就是星系级超大质量黑洞。比如，科学家在银河系中心就发现了质量高达数百万倍太阳质量的黑洞。该成果获得了2020年诺贝尔物理学奖。

此外，我们或许还记得，事件视界望远镜拍摄到了人类首张黑洞照片，就是M87星系中心的超大质量黑洞。

什么是黑洞X射线双星

天鹅座X-1是人类首个确认的黑洞，也是人类发现的第一个黑洞X射线双星。1974年，霍金和2017年诺贝尔物理学奖获得者基普·索恩就天鹅座X-1是否真的是一个黑洞打过赌，但答案直到近30年后才被揭晓。

那么，什么是黑洞X射线双星呢？既然黑洞本身不发光，我们又如何观测、确认并研究它呢？

X射线双星是由一个致密天体和一颗作为伴星的恒星相互绕转组成的双星系统。如果致密天体是黑洞，我们称之为黑洞X射线双星。通过观测伴星及其围绕黑洞的运动，天文学家可以测定黑洞的质量。例如，天鹅座X-1中黑洞的质量经这种方式测得约15倍太阳质量（最新结果为21倍太阳质量），远超中子星的质量上限，即奥本海默极限，约为3倍太阳质量，因此确认为黑洞。

在X射线双星中，恒星的气体被黑洞的引力捕获，形成一个围绕黑洞旋转的盘状物，即吸积盘。这个过程被称为吸积。这些落向黑洞的气体则被称为吸积流。虽然黑洞本身不发光，但当气体从吸积盘坠入黑洞时，由于吸积流物质之间的黏滞作用，引力能释放出来，部分转化为X射线。此外，在吸积盘转动轴的方向上，黑洞还会发射相对论性的高速物质流，即喷流，这也会产生X射线。我们可以观测这些X射线，并从中提取黑洞的相关信息进行研究。

需要说明的是，X射线跟我们所看到的可见光或手机接收到的无线电波没有本质的区别，都是电磁波，只是X射线的能量较高，可以高达几百到几十万电子伏特，波长较短，约为0.01—10纳米。X射线几乎无法穿透地球的大气层，因此需要通过卫星等航天器进入太空开展观测。

“慧眼”卫星是中国自主研制的第一颗X射线天文卫星，也是一个中等规模的空间天文台，搭载了三组用于观测不同能量X射线的望远镜，可以观测能量范围宽达1—250keV（千电子伏特）的X射线，在测量黑洞X射线双星的时变（天体发出的光随时间变化的信息）和能谱（天体发出的光随能量变化的信息）方面具有独特的优势。

对于黑洞X射线双星来说，不同能量的X射线，以及能量更低的可见光和射电波来自不同的区域。在越靠近黑洞的地方，气体的温度越高，发射的X射线的能量也就越高。“慧眼”卫星可以观测能量很高的X射线，这就意味着它能探测离黑洞很近的区域。此外，“慧眼”卫星可以在很宽的能量范围内获取高精度的X射线时变数据，从而描绘黑洞周围区域的动态变化全景。

天地联测破解黑洞磁囚禁吸积盘之谜

黑洞X射线双星通常处于“宁静”状态，但偶尔会发生X射线爆发，这是我们研究它的好时机。2018年，离地球约1万光年的黑洞X射线双星MAXI J1820+070发生了爆发，并在相当长的一段时间内成为天空中最亮的X射线天体之一。“慧眼”卫星抓住了这个机会，联合地面上的光学和射电望远镜，揭开了一个未解之谜。

在黑洞X射线双星中，黑洞周围存在着“看不见”的磁场。当吸积过程发生时，流向黑洞的气体会拖拽磁场一同向内，导致吸积流内区的磁场逐渐增强。同时，增强的磁场也会逐渐增强对吸积流产生的向外磁力，最终能够与黑洞施加的向内引力相抗衡，从而将吸积的气体禁锢住，避免其快速落入黑洞。这就好像给吸积过程按下了减速键，形成了磁囚禁盘。

尽管磁囚禁盘的理论已经非常成熟，但一直没有有效的观测证据，其形成过程更是一个未解之谜。中国科学家领导的科研团队，研究了“慧眼”卫星提供的来自吸积流内区的高温气体（热吸积流）的硬X射线观测数据，以及光学望远镜看到的来自吸积流外区的光学辐射和射电望远镜观测到的来自喷流的射电辐射。经对比后发现，光学和射电辐射分别滞后于硬X射线约17天和8天。

这项研究利用X射线、射电和光学等多个电磁波段的观测数据，描绘了黑洞附近吸积流、磁场和喷流的演化全景，第一次揭示了吸积流中磁场输运，以及磁囚禁盘形成的完整过程。这是迄今为止磁囚禁盘存在的最直接的观测证据，对于研究其他量级的黑洞的相应过程有着巨大的推动作用。

（作者：尹倩青 中国科学院高能物理研究所副研究员）