一个全球科学家小组首次揭示了黑洞吸积流中的磁场传输过程，以及黑洞附近磁捕获盘（或称"MAD"）的产生过程。这一突破来自对名为 MAXI J1820+070 的 X 射线双黑洞爆发事件的多波长观测。研究小组利用中国首颗X射线天文卫星"洞察-HXMT"和其他几台望远镜进行了研究。

黑洞 X 射线双星 MAXI J1820+070 的示意图，黑洞周围形成了一个磁捕获盘。

他们发现的关键是观测到来自黑洞喷流的射电辐射和来自吸积流外部区域的光学辐射分别滞后于来自吸积流内部区域热气体（即热吸积流）的硬X射线约8天和17天。

这些发现发表在8月31日的《科学》杂志上。

这项研究由武汉大学的尤蓓副教授、浙江大学的曹新武教授和中国科学院上海天文台的严震研究员领导。

黑洞 X 射线双星 MAXI J1820+070 的多波长光曲线（显示亮度随时间的变化）

黑洞捕获气体的过程被称为"吸积"，落入黑洞的气体被称为吸积流。吸积流内部的粘性过程会有效释放引力势能，其中一部分能量会转化为多波长辐射。这种辐射可以被地面和太空望远镜观测到，让我们"看到"黑洞。

然而，黑洞周围还有"看不见"的磁场。当黑洞吸积气体时，也会将磁场向内拖拽。以前的理论认为，随着吸积气体不断带来微弱的外部磁场，磁场会逐渐向吸积流的内部区域增强。吸积流向外的磁力增加，抵消了黑洞向内的引力。因此，在黑洞附近的吸积流内部区域，当磁场达到一定强度时，吸积物质就会被磁场困住，无法自由落入黑洞。这种现象被称为磁捕获盘。

MAD 理论多年前就已提出，并成功解释了一些与黑洞吸积有关的观测现象。然而，当时并没有直接的观测证据证明MAD的存在，MAD的形成和磁传输机制仍然是个谜。

吸积流、磁场和喷流演化示意图

除了几乎所有星系中心的超大质量黑洞之外，宇宙中还有更多恒星质量的黑洞。天文学家在银河系的许多双星系统中都探测到了恒星质量的黑洞。这些黑洞的质量通常是太阳的十倍左右。大多数时候，这些黑洞处于静止状态，发射极弱的电磁辐射。不过，它们偶尔也会进入爆发期，爆发期可以持续几个月甚至几年，产生明亮的 X 射线。因此，这类双星系统通常被称为黑洞 X 射线双星。

在这项研究中，研究人员对黑洞 X 射线双星 MAXI J1820+070 的爆发进行了多波长数据分析。他们观察到，硬 X 射线发射出现了一个峰值，8 天后射电发射也出现了一个峰值。喷流的射电辐射与热吸积流的硬X射线之间如此长的延迟是前所未有的。

这些观测结果表明，吸积盘外部区域的弱磁场被热气体带入内部区域，随着吸积率的降低，热吸积流的径向范围迅速扩大。热吸积流的径向范围越大，磁场的增幅就越大。这导致黑洞附近的磁场迅速增强，从而在硬X射线发射峰值出现大约8天后形成MAD。

"我们的研究首次揭示了吸积流中的磁场传输过程和黑洞附近的 MAD 形成过程。这是磁捕获盘存在的直接观测证据，"该研究的第一作者和共同通讯作者You Bei副教授说。

此外，研究小组还观测到来自吸积流外部区域的光学发射与来自热吸积流的硬X射线之间出现了前所未有的延迟（约17天）。通过对黑洞 X 射线双星爆发的数值模拟，研究人员发现当爆发接近尾声时，硬 X 射线的辐照会导致更多来自远外层区域的吸积物质由于不稳定性而向黑洞坠落。这导致吸积流外围区域出现光学耀斑，其峰值出现在来自热吸积流的硬X射线峰值之后约17天。

该研究的共同通讯作者曹新武教授说："由于黑洞吸积物理学的普遍性，不同质量尺度黑洞的吸积过程遵循相同的物理规律，因此这项研究将推进对不同质量尺度吸积黑洞的大尺度磁场形成、喷流动力和加速机制等相关科学问题的理解。"

该研究的共同通讯作者阎真教授指出，在不久的将来，有望在更多的吸积黑洞系统中观测到与MAXI J1820+070类似的现象。