作者:李思辉 谢午阳 来源:中国科学报 发布时间:2023/9/7 10:04:07
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黑洞也有“吃撑”的时候,开学第一天武大天文系研究成果登上Science

 

浩瀚的宇宙空间里有不计其数的天体,黑洞是其中非常特殊的存在。

正值开学季,武汉大学一个师生团队又收获了一份与黑洞有关的“开学礼包”。

9月1日,武汉大学物理科学与技术学院天文学系副教授、小米青年学者游贝领衔的国际团队,在《科学》(Science)上发表关于黑洞的最新研究成果。游贝副教授为第一作者,游贝、浙江大学曹新伍教授、中国科学院上海天文台闫震研究员为共同通讯作者。

“我们发现了黑洞周围磁囚禁吸积盘形成过程的直接观测证据,揭示了黑洞周围‘看不见’的神秘磁场,破解了磁囚禁盘的形成之谜。”游贝告诉《中国科学报》。

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成果中文海报。武汉大学游贝团队供图


“不可思议”的天体


黑洞捕获物质的物理过程被称为“吸积”,被捕获的物质则被称为吸积流。

资料显示,作为一种极为致密和“强大”的天体,黑洞的引力大到使光线都无法逃脱。与此同时,黑洞不仅在“吃”(吸积物质),同时也在“吐”(外流)。

“通过对物质的吸积,黑洞间接地彰显了自己的存在。”游贝说。天文学家已经在多个致密双星系统之中探测到恒星级黑洞的存在,这类黑洞吸积时产生明亮的X射线辐射和射电辐射。

相比于“明亮”的辐射,黑洞周围还存在着“看不到”的磁场。黑洞吸积物质的同时,也会顺带着把磁场“拽”进来。力是相对的,随着吸积物质将外部弱磁场持续带入,磁场及其对物质的向外磁力会逐渐增强。

“当磁场的向外磁力与黑洞的向内引力相当时,吸积流就会被磁场囚禁,无法自由地掉入黑洞,形成磁囚禁盘。”游贝介绍,磁囚禁盘理论模型可广泛应用于各类天体,并且成功解释了黑洞产生的相对论喷流。

然而,此前一直没有磁囚禁盘存在的直接观测证据,磁囚禁盘是如何形成的更是一个未解之谜。

黑洞这个“不可思议的天体”,吸引着各国科学家们前赴后继。

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 游贝(中)与团队成员合影。受访者供图


黑洞也有“吃撑”的时候


时针拨回2021年。那年开春,游贝团队一项关于黑洞吸积的研究成果发表于Nature Communications,他们利用慧眼卫星发现逃离黑洞的高速等离子体。

在那之后的一次会议上,同行的不经意的一句话引起了游贝的注意。“当时,我有了一个新想法。”游贝回忆,“那天晚上,我就让学生用现有的数据试着画一画图。”

“画一画”所用到的数据,来源于2018年我国第一颗X射线天文卫星“慧眼号”和其他国际观测设备,对一次黑洞吸积事件进行的详尽观测。

那时的游贝并不知道,又一项重要的突破正在萌芽。

“利用这批观测数据,我们首次观测到喷流射电辐射的长时标延迟现象。这是前所未见的。”游贝说。

外部弱磁场被吸积流带入而增强,而且吸积流的空间尺度越大,磁场增强越明显,这使得黑洞附近磁场快速增强,并最终达到磁囚禁盘状态。

“这说明,黑洞并不像‘饕餮’一样来者不拒,也会有‘吃撑’的时候。”游贝介绍,“磁场会阻碍物质‘掉’进黑洞。”

这项研究第一次揭示了吸积流中的磁场输运过程,以及黑洞附近热吸积流中形成磁囚禁盘的完整过程,成为迄今为止磁囚禁盘存在的最直接观测证据。

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 游贝(左)接受中国科学报记者采访。谢午阳摄


本科生参与“顶级”探索


面对这项最新成果,游贝直言:“整个过程还挺顺利!”

但是,这对团队中的吴岳和夏天宇来说,却是不小的挑战。

吴岳和夏天宇是论文署名列表中的两个有些特别的作者。因为,在这项研究开始时,他们还是武汉大学的本科生。

“和游老师的相识,有些巧合。”吴岳回忆。2018年夏天,他参加暑期社会实践时,旁听了一场核天体物理学术会议。会上,对天文学很感兴趣的吴岳与游贝相识。就这样,两人一拍即合,吴岳成为游贝指导的第一个学生,开始学习吸积相关的知识。

一年后,吴岳同年级的夏天宇也加入了团队,进行科研实践训练。“我主要进行慧眼卫星数据能谱拟合相关的工作。这项研究中所使用的X数据,就是来源于慧眼卫星。”夏天宇说。

刚加入团队时,夏天宇直言自己“懂得不多”。面对此前没怎么接触过的工作,他一时有些找不准方向。

2021年开春的那个晚上,在会议上有了新想法的游贝让夏天宇利用现有数据画图。当草图摆在面前时,游贝的第一反应却是“画错了”。经过反复检查,他们才证实草图是正确的。

在这样逐步摸索的过程中,夏天宇感受到了“游老师的厉害”:“在游老师的指导下,我发现数据处理也需要很强的思维敏锐度。同样的数据,分析角度不同,所能阐释的现象相应的也就不同。”

对此,吴岳也有相同的感受,“他的思路非常活跃,遇到一个问题,边讨论着就能想到巧妙的解决方案,甚至提出新的课题方向。”2021年夏天,本科毕业之后,吴岳依然积极参与游贝团队的讨论交流。

2022年春节后,论文投稿。9月1日,一项关于黑洞的重要研究,在积极的审稿意见下,顺利登上《科学》。对于还在武大继续仰望星空的游贝,或是已经分别前往中国科学技术大学和南京大学攻读研究生的夏天宇和吴岳同学而言,这无疑都是一份难得的“开学礼物”。

“坦率地说,我们不知道的远比知道的要多得多。这项研究只是向前走了一小步,未来还有很多科学问题等着我们去探索。”游贝对接下来的科学探索充满憧憬。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abo4504

 
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