一個全球科學家小組首次揭示了黑洞吸積流中的磁場傳輸過程，以及黑洞附近磁捕獲盤（或稱”MAD”）的產生過程。這一突破來自對名為MAXI J1820+070 的X 射線雙黑洞爆發事件的多波長觀測。研究小組利用中國首顆X射線天文衛星”洞察-HXMT”和其他幾台望遠鏡進行了研究。

黑洞X 射線雙星MAXI J1820+070 的示意圖，黑洞周圍形成了一個磁捕獲盤。

他們發現的關鍵是觀測到來自黑洞噴流的射電輻射和來自吸積流外部區域的光學輻射分別滯後於來自吸積流內部區域熱氣體（即熱吸積流）的硬X射線約8天和17天。

這些發現發表在8月31日的《科學》雜誌上。

這項研究由武漢大學的尤蓓副教授、浙江大學的曹新武教授和中國科學院上海天文台的嚴震研究員領導。

黑洞X 射線雙星MAXI J1820+070 的多波長光曲線（顯示亮度隨時間的變化）

黑洞捕獲氣體的過程被稱為”吸積”，落入黑洞的氣體被稱為吸積流。吸積流內部的粘性過程會有效釋放引力勢能，其中一部分能量會轉化為多波長輻射。這種輻射可以被地面和太空望遠鏡觀測到，讓我們”看到”黑洞。

然而，黑洞周圍還有”看不見”的磁場。當黑洞吸積氣體時，也會將磁場向內拖拽。以前的理論認為，隨著吸積氣體不斷帶來微弱的外部磁場，磁場會逐漸向吸積流的內部區域增強。吸積流向外的磁力增加，抵消了黑洞向內的引力。因此，在黑洞附近的吸積流內部區域，當磁場達到一定強度時，吸積物質就會被磁場困住，無法自由落入黑洞。這種現像被稱為磁捕獲盤。

MAD 理論多年前就已提出，並成功解釋了一些與黑洞吸積有關的觀測現象。然而，當時並沒有直接的觀測證據證明MAD的存在，MAD的形成和磁傳輸機制仍然是個謎。

吸積流、磁場和噴流演化示意圖

除了幾乎所有星系中心的超大質量黑洞之外，宇宙中還有更多恆星質量的黑洞。天文學家在銀河系的許多雙星系統中都探測到了恆星質量的黑洞。這些黑洞的質量通常是太陽的十倍左右。大多數時候，這些黑洞處於靜止狀態，發射極弱的電磁輻射。不過，它們偶爾也會進入爆發期，爆發期可以持續幾個月甚至幾年，產生明亮的X 射線。因此，這類雙星系統通常被稱為黑洞X 射線雙星。

在這項研究中，研究人員對黑洞X 射線雙星MAXI J1820+070 的爆發進行了多波長數據分析。他們觀察到，硬X 射線發射出現了一個峰值，8 天后射電發射也出現了一個峰值。噴流的射電輻射與熱吸積流的硬X射線之間如此長的延遲是前所未有的。

這些觀測結果表明，吸積盤外部區域的弱磁場被熱氣體帶入內部區域，隨著吸積率的降低，熱吸積流的徑向范圍迅速擴大。熱吸積流的徑向范圍越大，磁場的增幅就越大。這導致黑洞附近的磁場迅速增強，從而在硬X射線發射峰值出現大約8天后形成MAD。

“我們的研究首次揭示了吸積流中的磁場傳輸過程和黑洞附近的MAD 形成過程。這是磁捕獲盤存在的直接觀測證據，”該研究的第一作者和共同通訊作者You Bei副教授說。

此外，研究小組還觀測到來自吸積流外部區域的光學發射與來自熱吸積流的硬X射線之間出現了前所未有的延遲（約17天）。通過對黑洞X 射線雙星爆發的數值模擬，研究人員發現當爆發接近尾聲時，硬X 射線的輻照會導致更多來自遠外層區域的吸積物質由於不穩定性而向黑洞墜落。這導致吸積流外圍區域出現光學耀斑，其峰值出現在來自熱吸積流的硬X射線峰值之後約17天。

該研究的共同通訊作者曹新武教授說：”由於黑洞吸積物理學的普遍性，不同質量尺度黑洞的吸積過程遵循相同的物理規律，因此這項研究將推進對不同質量尺度吸積黑洞的大尺度磁場形成、噴流動力和加速機制等相關科學問題的理解。”

該研究的共同通訊作者閻真教授指出，在不久的將來，有望在更多的吸積黑洞系統中觀測到與MAXI J1820+070類似的現象。