浩瀚深邃的宇宙空间吸引无数科学家穷尽一生去探索。其中最神秘的，便是隐藏在黑暗中的幽深“洞穴”——黑洞。作为现代物理学的极限天体，黑洞的强大引力让其如宇宙中的饕餮巨兽一般吞噬一切，连光都无法逃脱。早在1783年，英国科学家米歇尔（John Michell）就曾提出，“如果一个天体的密度和太阳一样，大小是太阳的500倍，那么光都无法从这个天体逃脱”。同时代，1796年，法国科学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在他的《宇宙体系论》中也给出了类似的预言。1799年，他给出了详细的计算过程，得到“一个密度和地球一样（太阳密度的4倍），大小是太阳250倍的天体可以把光囚禁”。爱因斯坦的广义相对论也预言了存在这样的天体。在1967年的一次会议上，美国物理学家惠勒 ( John Wheeler)，把这种天体称为“黑洞”（black hole）。
而如今，科学家们在探究黑洞奥秘的道路上不断迈进。日前，我国天文学家利用多波段观测数据，揭示了黑洞周围的磁场输运和磁囚禁盘的形成过程，该项研究9月1日发表在世界权威的学术期刊《科学》（Science）上。
01 我们能看到黑洞吗？能！吸积让我们“看到”黑洞
黑洞周围的物质会由于巨大的引力作用被黑洞“捕获”，这个现象称为“黑洞吸积”。被吸积的物质不是像自由落体一样掉入黑洞，而是会形成一个吸积盘并围绕黑洞旋转，最终被黑洞吞噬（想象一下你家虹吸式抽水马桶的水）。
大质量恒星最终会演化成黑洞，其质量是太阳的几倍到二三十倍。在两颗恒星相互绕转的双星系统中，如果其中一颗恒星演化成了黑洞，当另一颗恒星足够靠近黑洞时，它的物质就会被黑洞吸积，形成的吸积盘温度很高，最内区甚至达到上千万度，会辐射出非常强烈的X射线，因此这类双星被称为黑洞X射线双星。当然，它们的辐射不仅在X射线，而是几乎覆盖全部电磁波段。
天文学家估计，在我们银河系中可能有上千万颗黑洞存在于双星系统中，但是迄今为止，我们仅仅发现了几十颗。可能它们中的绝大多数并没有从伴星吸积物质或者吸积极少的物质，因此我们“看不到”。
大部分的黑洞X射线双星长时间处于宁静状态，只有很少的物质被黑洞吸积。随着物质在吸积盘中积累，当达到某个临界点时，触发了吸积盘的不稳定性，进入爆发态，大量的物质进入吸积盘内区，辐射出强烈的X射线，最终掉入黑洞。爆发时的亮度会比宁静态增加上万倍甚至上百万倍。
2018年3月，距离我们大约一万光年的黑洞X射线双星MAXI J1820+070进入了爆发态，在爆发峰值附近的时候是天空中最亮的X射线源 （见视频1）。全球各地的很多望远镜都监测了这次爆发，包括射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线。我国第一颗X射线天文卫星慧眼也对这次爆发进行了持续地监测。基于这些大量的观测数据，天文学家们得以研究黑洞性质以及黑洞的吸积和喷流。
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视频1：每一个圆点都是一个X射线源，圆点的大小代表了亮度。红色圆点是黑洞X射线双星MAXI J1820+070,下面的曲线是它的亮度随时间的变化 （银河系背景来自ESA/Gaia/DPAC）。
02 吸积盘怎么动？能吸积多少物质？黑洞周围的磁场“话语权”很大！
磁场在宇宙中无处不在，我们的太阳就拥有磁场，平静区域的磁场大概1-2高斯，黑子区域的磁场可以达到三四千高斯。一种被称为磁星的天体拥有宇宙中最强的磁场，可以达到10的15次方高斯。
根据黑洞无毛定理，黑洞本身是不带磁场的，被黑洞吸积的物质通常是等离子体状态，它们是携带磁场的，这些无序的微观磁场可以使物质损失角动量，才会逐渐掉入黑洞。
人们认为黑洞周围应该还存在大尺度磁场，其中一个重要的原因就是喷流的产生需要大尺度磁场。带电粒子在这种大尺度磁场中运动，产生的辐射会有偏振，通过射电的偏振观测我们知道了在超大质量黑洞的喷流中确实存在大尺度磁场。
在2021年发布的M87星系中心超大质量黑洞的偏振照片中，发现黑洞附近也存在大尺度磁场 （图1）。对于银河系内的黑洞X射线双星，虽然它们距离更近，但是由于黑洞尺度太小，我们现在的望远镜还无法对其成像。
大尺度磁场的存在会对黑洞附近的吸积流产生显著影响，比如径移速度（径移就是朝向黑洞移动）和吸积率（单位时间内吸积的质量），还会产生很强的外流（物质向外运动）。因此磁场的存在会带来很多其他的观测效应。
图1. M87星系中心超大质量黑洞极其喷流的偏振观测图像，弯曲的亮条纹显示了大尺度磁场的分布。上面是1300光年尺度的喷流，中间是0.25光年尺度的喷流，下面是黑洞周围0.0063光年（400 AU）尺度的图像。(图片来自: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal)
03 “疯狂”的吸积——磁囚禁吸积盘的形成
天文学家普遍认为吸积盘的外区存在比较弱的大尺度磁场，会随着吸积流向内运动。由于黑洞只会“吞噬”物质，并不会“吞噬”磁场，因而磁场会在黑洞附近堆积，逐渐增强。
有一种吸积流，叫做“径移主导”吸积流(advecction dominated accretion flow, ADAF)，顾名思义，在这种吸积流中，物质掉入黑洞的速度非常快。外部的微弱磁场会被吸积流拖拽着，快速地在黑洞附近增强。当磁场对吸积物质的电磁力能够和黑洞引力抗衡时，会大大降低物质掉入黑洞的速度，可能只有原来速度的十分之一甚至百分之一，就像被磁场囚禁了一样，被称为磁囚禁吸积盘，magnetically arrested disk (MAD) ——“疯狂”吸积流。
武汉大学、浙江大学和中国科学院上海天文台等科研单位的研究人员，分析了黑洞X射线双星MAXI J1820+070爆发的多波段数据，揭示了径移主导吸积流逐渐扩张并且输运磁场的过程，计算结果表明，它的大小在十几天内膨胀了30倍，尺寸越大，越容易把外部的弱磁场快速地带入吸积流内区，最终使得最内区的磁场强度达到了磁囚禁吸积盘标准 （视频2）。
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视频2，随着径移主导吸积流的膨胀，磁场被快速带入吸积流内区，最终形成磁囚禁吸积盘（MAD）。视频来自论文https://doi.org/10.1126/science.abo4504。
看似与日常生活毫不相关的黑洞，是研究宇宙起源、演化和结构的关键问题之一，并深远地影响了科学、技术乃至人类生产生活方式的进步。如今，人类对时空的理解还远未到尽头。对未知的探索，正驱使着科学家们勇于尝试打破宇宙极限思考的禁锢，从而产生更多伟大的发现。
作者：闫震 中国科学院上海天文台 研究员
审核：游贝 武汉大学物理科学与技术学院 副教授
出品：科普中国
监制：中国科学技术出版社有限公司、中科数创（北京）数字传媒有限公司
