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2023-09-23 21:00:01
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中國“慧眼”探秘黑洞
- 來源：科普時報
- 作者：尹倩青
- 2023-09-24 10:06
黑洞是宇宙中一種神秘天體，具有很強的引力，以至於能夠吞噬一切物質，甚至連光也無法逃脫。然而，正是由於黑洞本身及其周圍存在著種種不可思議的物理現象，讓無數天文學家為之著迷。
最近，來自武漢大學、浙江大學、中國科學院上海天文台、中國科學院高能物理研究所、南京大學、中國科學技術大學，以及法國斯特拉斯堡天文台、波蘭理論物理中心等國內外科研機構的科學家，利用我國第一顆空間X射線天文衛星——“慧眼”硬X射線調制望遠鏡衛星（簡稱“慧眼”衛星），並聯合地面上的射電望遠鏡和光學望遠鏡，對一個編號為MAXI J1820+070的黑洞X射線雙星展開觀測，解開了這個黑洞的謎團。這支由中國科學家領導的科研團隊，發現了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接證據，並在國際頂尖期刊《科學》上發表了這項最新研究成果。
什麼是黑洞
我們現在常說的黑洞的定義源自愛因斯坦的廣義相對論。黑洞指的是一個時空區域，該區域的邊界被稱為視界。視界之內的物質和輻射無法從中逃離，而視界之外的物質和輻射雖然可以進入視界，但進入後卻再也無法逃出來。
如果我們只學過牛頓的經典理論而不懂廣義相對論，那麼該怎樣理解黑洞呢？我們可以設想這樣一個場景：從某個天體上發射一枚火箭，當火箭的速度達到逃逸速度時，就能克服天體的引力飛向遠方。以地球為例，我們可以根據公式算出逃逸速度是每秒11.2公裡，也被稱為第二宇宙速度。
如果逃逸速度比光速還大，那麼當太陽坍縮到半徑小於3000米時，其發出的光都無法從這個半徑以內的區域逃離出來，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2020年諾貝爾物理學獎獲得者彭羅斯、曼哈頓計劃領導者奧本海默等人的論文描述，質量足夠大的恒星在耗盡其熱核能後將會在自身引力作用下坍縮，最終形成黑洞。這是天文學家研究最多的黑洞之一，即作為恒星遺骸的恒星級黑洞。黑洞X射線雙星MAXI J1820+070中的黑洞就屬於這一類。
還有一類黑洞，天文學家也很關心，那就是星系級超大質量黑洞。比如，科學家在銀河系中心就發現了質量高達數百萬倍太陽質量的黑洞。該成果獲得了2020年諾貝爾物理學獎。
此外，我們或許還記得，事件視界望遠鏡拍攝到了人類首張黑洞照片，就是M87星系中心的超大質量黑洞。
什麼是黑洞X射線雙星
天鵝座X-1是人類首個確認的黑洞，也是人類發現的第一個黑洞X射線雙星。1974年，霍金和2017年諾貝爾物理學獎獲得者基普·索恩就天鵝座X-1是否真的是一個黑洞打過賭，但答案直到近30年後才被揭曉。
那麼，什麼是黑洞X射線雙星呢？既然黑洞本身不發光，我們又如何觀測、確認並研究它呢？
X射線雙星是由一個致密天體和一顆作為伴星的恒星相互繞轉組成的雙星系統。如果致密天體是黑洞，我們稱之為黑洞X射線雙星。通過觀測伴星及其圍繞黑洞的運動，天文學家可以測定黑洞的質量。例如，天鵝座X-1中黑洞的質量經這種方式測得約15倍太陽質量（最新結果為21倍太陽質量），遠超中子星的質量上限，即奧本海默極限，約為3倍太陽質量，因此確認為黑洞。
在X射線雙星中，恒星的氣體被黑洞的引力捕獲，形成一個圍繞黑洞旋轉的盤狀物，即吸積盤。這個過程被稱為吸積。這些落向黑洞的氣體則被稱為吸積流。雖然黑洞本身不發光，但當氣體從吸積盤墜入黑洞時，由於吸積流物質之間的黏滯作用，引力能釋放出來，部分轉化為X射線。此外，在吸積盤轉動軸的方向上，黑洞還會發射相對論性的高速物質流，即噴流，這也會產生X射線。我們可以觀測這些X射線，並從中提取黑洞的相關信息進行研究。
需要說明的是，X射線跟我們所看到的可見光或手機接收到的無線電波沒有本質的區別，都是電磁波，只是X射線的能量較高，可以高達幾百到幾十萬電子伏特，波長較短，約為0.01—10納米。X射線幾乎無法穿透地球的大氣層，因此需要通過衛星等航天器進入太空開展觀測。
“慧眼”衛星是中國自主研制的第一顆X射線天文衛星，也是一個中等規模的空間天文台，搭載了三組用於觀測不同能量X射線的望遠鏡，可以觀測能量范圍寬達1—250keV（千電子伏特）的X射線，在測量黑洞X射線雙星的時變（天體發出的光隨時間變化的信息）和能譜（天體發出的光隨能量變化的信息）方面具有獨特的優勢。
對於黑洞X射線雙星來說，不同能量的X射線，以及能量更低的可見光和射電波來自不同的區域。在越靠近黑洞的地方，氣體的溫度越高，發射的X射線的能量也就越高。“慧眼”衛星可以觀測能量很高的X射線，這就意味著它能探測離黑洞很近的區域。此外，“慧眼”衛星可以在很寬的能量范圍內獲取高精度的X射線時變數據，從而描繪黑洞周圍區域的動態變化全景。
天地聯測破解黑洞磁囚禁吸積盤之謎
黑洞X射線雙星通常處於“寧靜”狀態，但偶爾會發生X射線爆發，這是我們研究它的好時機。2018年，離地球約1萬光年的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070發生了爆發，並在相當長的一段時間內成為天空中最亮的X射線天體之一。“慧眼”衛星抓住了這個機會，聯合地面上的光學和射電望遠鏡，揭開了一個未解之謎。
在黑洞X射線雙星中，黑洞周圍存在著“看不見”的磁場。當吸積過程發生時，流向黑洞的氣體會拖拽磁場一同向內，導致吸積流內區的磁場逐漸增強。同時，增強的磁場也會逐漸增強對吸積流產生的向外磁力，最終能夠與黑洞施加的向內引力相抗衡，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非常成熟，但一直沒有有效的觀測證據，其形成過程更是一個未解之謎。中國科學家領導的科研團隊，研究了“慧眼”衛星提供的來自吸積流內區的高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線觀測數據，以及光學望遠鏡看到的來自吸積流外區的光學輻射和射電望遠鏡觀測到的來自噴流的射電輻射。經對比後發現，光學和射電輻射分別滯後於硬X射線約17天和8天。
這項研究利用X射線、射電和光學等多個電磁波段的觀測數據，描繪了黑洞附近吸積流、磁場和噴流的演化全景，第一次揭示了吸積流中磁場輸運，以及磁囚禁盤形成的完整過程。這是迄今為止磁囚禁盤存在的最直接的觀測證據，對於研究其他量級的黑洞的相應過程有著巨大的推動作用。
（作者系中國科學院高能物理研究所副研究員）
最近，來自武漢大學、浙江大學、中國科學院上海天文台、中國科學院高能物理研究所、南京大學、中國科學技術大學，以及法國斯特拉斯堡天文台、波蘭理論物理中心等國內外科研機構的科學家，利用我國第一顆空間X射線天文衛星——“慧眼”硬X射線調制望遠鏡衛星（簡稱“慧眼”衛星），並聯合地面上的射電望遠鏡和光學望遠鏡，對一個編號為MAXI J1820+070的黑洞X射線雙星展開觀測，解開了這個黑洞的謎團。這支由中國科學家領導的科研團隊，發現了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接證據，並在國際頂尖期刊《科學》上發表了這項最新研究成果。
什麼是黑洞
我們現在常說的黑洞的定義源自愛因斯坦的廣義相對論。黑洞指的是一個時空區域，該區域的邊界被稱為視界。視界之內的物質和輻射無法從中逃離，而視界之外的物質和輻射雖然可以進入視界，但進入後卻再也無法逃出來。
如果我們只學過牛頓的經典理論而不懂廣義相對論，那麼該怎樣理解黑洞呢？我們可以設想這樣一個場景：從某個天體上發射一枚火箭，當火箭的速度達到逃逸速度時，就能克服天體的引力飛向遠方。以地球為例，我們可以根據公式算出逃逸速度是每秒11.2公裡，也被稱為第二宇宙速度。
如果逃逸速度比光速還大，那麼當太陽坍縮到半徑小於3000米時，其發出的光都無法從這個半徑以內的區域逃離出來，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2020年諾貝爾物理學獎獲得者彭羅斯、曼哈頓計劃領導者奧本海默等人的論文描述，質量足夠大的恒星在耗盡其熱核能後將會在自身引力作用下坍縮，最終形成黑洞。這是天文學家研究最多的黑洞之一，即作為恒星遺骸的恒星級黑洞。黑洞X射線雙星MAXI J1820+070中的黑洞就屬於這一類。
還有一類黑洞，天文學家也很關心，那就是星系級超大質量黑洞。比如，科學家在銀河系中心就發現了質量高達數百萬倍太陽質量的黑洞。該成果獲得了2020年諾貝爾物理學獎。
此外，我們或許還記得，事件視界望遠鏡拍攝到了人類首張黑洞照片，就是M87星系中心的超大質量黑洞。
什麼是黑洞X射線雙星
天鵝座X-1是人類首個確認的黑洞，也是人類發現的第一個黑洞X射線雙星。1974年，霍金和2017年諾貝爾物理學獎獲得者基普·索恩就天鵝座X-1是否真的是一個黑洞打過賭，但答案直到近30年後才被揭曉。
那麼，什麼是黑洞X射線雙星呢？既然黑洞本身不發光，我們又如何觀測、確認並研究它呢？
X射線雙星是由一個致密天體和一顆作為伴星的恒星相互繞轉組成的雙星系統。如果致密天體是黑洞，我們稱之為黑洞X射線雙星。通過觀測伴星及其圍繞黑洞的運動，天文學家可以測定黑洞的質量。例如，天鵝座X-1中黑洞的質量經這種方式測得約15倍太陽質量（最新結果為21倍太陽質量），遠超中子星的質量上限，即奧本海默極限，約為3倍太陽質量，因此確認為黑洞。
在X射線雙星中，恒星的氣體被黑洞的引力捕獲，形成一個圍繞黑洞旋轉的盤狀物，即吸積盤。這個過程被稱為吸積。這些落向黑洞的氣體則被稱為吸積流。雖然黑洞本身不發光，但當氣體從吸積盤墜入黑洞時，由於吸積流物質之間的黏滯作用，引力能釋放出來，部分轉化為X射線。此外，在吸積盤轉動軸的方向上，黑洞還會發射相對論性的高速物質流，即噴流，這也會產生X射線。我們可以觀測這些X射線，並從中提取黑洞的相關信息進行研究。
需要說明的是，X射線跟我們所看到的可見光或手機接收到的無線電波沒有本質的區別，都是電磁波，只是X射線的能量較高，可以高達幾百到幾十萬電子伏特，波長較短，約為0.01—10納米。X射線幾乎無法穿透地球的大氣層，因此需要通過衛星等航天器進入太空開展觀測。
“慧眼”衛星是中國自主研制的第一顆X射線天文衛星，也是一個中等規模的空間天文台，搭載了三組用於觀測不同能量X射線的望遠鏡，可以觀測能量范圍寬達1—250keV（千電子伏特）的X射線，在測量黑洞X射線雙星的時變（天體發出的光隨時間變化的信息）和能譜（天體發出的光隨能量變化的信息）方面具有獨特的優勢。
對於黑洞X射線雙星來說，不同能量的X射線，以及能量更低的可見光和射電波來自不同的區域。在越靠近黑洞的地方，氣體的溫度越高，發射的X射線的能量也就越高。“慧眼”衛星可以觀測能量很高的X射線，這就意味著它能探測離黑洞很近的區域。此外，“慧眼”衛星可以在很寬的能量范圍內獲取高精度的X射線時變數據，從而描繪黑洞周圍區域的動態變化全景。
天地聯測破解黑洞磁囚禁吸積盤之謎
黑洞X射線雙星通常處於“寧靜”狀態，但偶爾會發生X射線爆發，這是我們研究它的好時機。2018年，離地球約1萬光年的黑洞X射線雙星MAXI J1820+070發生了爆發，並在相當長的一段時間內成為天空中最亮的X射線天體之一。“慧眼”衛星抓住了這個機會，聯合地面上的光學和射電望遠鏡，揭開了一個未解之謎。
在黑洞X射線雙星中，黑洞周圍存在著“看不見”的磁場。當吸積過程發生時，流向黑洞的氣體會拖拽磁場一同向內，導致吸積流內區的磁場逐漸增強。同時，增強的磁場也會逐漸增強對吸積流產生的向外磁力，最終能夠與黑洞施加的向內引力相抗衡，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非常成熟，但一直沒有有效的觀測證據，其形成過程更是一個未解之謎。中國科學家領導的科研團隊，研究了“慧眼”衛星提供的來自吸積流內區的高溫氣體（熱吸積流）的硬X射線觀測數據，以及光學望遠鏡看到的來自吸積流外區的光學輻射和射電望遠鏡觀測到的來自噴流的射電輻射。經對比後發現，光學和射電輻射分別滯後於硬X射線約17天和8天。
這項研究利用X射線、射電和光學等多個電磁波段的觀測數據，描繪了黑洞附近吸積流、磁場和噴流的演化全景，第一次揭示了吸積流中磁場輸運，以及磁囚禁盤形成的完整過程。這是迄今為止磁囚禁盤存在的最直接的觀測證據，對於研究其他量級的黑洞的相應過程有著巨大的推動作用。
（作者系中國科學院高能物理研究所副研究員）
