揭开黑洞的磁性之谜：黑洞周围的"MAD"吸积是如何形成的？

揭开黑洞的磁性之谜：黑洞周围的"MAD"吸积是如何形成的？黑洞X射线双星MAXIJ1820+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MAXIJ1820+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MAXIJ1820+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YouBei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MAXIJ1820+070类似的现象。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1381353.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1381353.htm

"耀斑"与"回声"：揭开银河系核心怪兽黑洞的神秘面纱

"耀斑"与"回声"：揭开银河系核心怪兽黑洞的神秘面纱密歇根州立大学研究员格蕾丝-桑格-约翰逊（GraceSanger-Johnson）通过筛选十年来的X射线数据，从银河系中央超大质量黑洞人马座A*发现了九个以前未被发现的X射线耀斑。这张十多年前公布的NASA图像显示了一个X射线耀斑的例子。图片来源：NASA/JPL-CaltechMSU荣誉学院的本科生研究员杰克-尤特格（JackUteg）分析了来自黑洞附近分子云的X射线回波，从而窥探到人马座A*过去200多年的历史。密歇根州立大学的研究人员对银河系中心的超大质量黑洞有了突破性发现。他们的发现基于美国国家航空航天局（NASA）NuSTARX射线望远镜的数据，于6月11日在美国天文学会（AAS）第244次会议上公布。由于黑洞具有强大的引力场，连光都无法逃脱，因此研究黑洞面临着独特的挑战。为了了解这些神秘的天体，科学家们通常会研究它们的引力对附近恒星的影响以及邻近气体云的辐射等指标。NASANuSTAR天体学家的概念图NuSTAR轨道上的艺术家概念图。资料来源：NASA/JPL-加州理工学院黑洞研究创新项目格蕾丝-桑格-约翰逊（GraceSanger-Johnson）和杰克-尤特格（JackUteg）在物理与天文系助理教授张硕（ShuoZhang）的领导下，利用天基望远镜数十年的X射线数据，找到了更多揭示这些宇宙谜团的创新方法。格蕾丝和杰克的贡献令人无比自豪，"张说。"他们的工作充分体现了密苏里大学对开拓性研究和培养下一代天文学家的承诺。这项研究是MSU科学家如何揭开宇宙秘密的最好例证，使我们更接近于理解黑洞的本质和银河系中心的动态环境。"约翰逊分析了10年来的数据，寻找银河系中心黑洞人马座A*（SgrA*）的X射线耀斑，在此过程中，她发现了九个未被注意到的耀斑。这些耀斑是高能量光的剧烈爆发，为研究黑洞周围的环境提供了一个独特的机会，由于黑洞的引力惊人，人们通常看不到黑洞周围的环境。SgrA*是距离地球最近、活动最少的超大质量黑洞，因此，来自SgrA*及其耀斑的数据是目前已知的研究黑洞物理环境的方法之一。张说："我们正坐在前排观察银河系中心这些独特的宇宙焰火。耀斑和焰火都能照亮黑暗，帮助我们观测到平时无法观测到的东西。这就是为什么天文学家需要知道这些耀斑发生的时间和地点，这样他们就可以利用这些光来研究黑洞的环境。"桑格-约翰逊精心筛选了NuSTAR（核光谱望远镜阵列）从2015年到2024年收集的十年X射线数据，NuSTAR是NASA的天基X射线望远镜之一。研究小组说，新发现的九个耀斑都为了解黑洞的环境和活动提供了宝贵的数据："我们希望通过建立这个有关SgrA*耀斑的数据银行，我们和其他天文学家能够分析这些X射线耀斑的特性，并推断出超大质量黑洞极端环境内部的物理条件。"而MSU荣誉学院的本科生研究员Uteg则用一种类似于聆听回声的技术研究了黑洞的活动。Uteg分析了近20年的数据，目标是SgrA*附近被称为"桥"的巨型分子云。Uteg说："与恒星不同，星际空间中的这些气体和尘埃云不会产生自己的X射线。因此，当X射线望远镜开始捕捉到来自"桥"的光子时，天文学家开始假设其来源。我们看到的亮度很可能是SgrA*过去X射线爆发的延迟反射。我们在2008年左右首次观测到亮度的增加。然后，在接下来的12年里，"桥"发出的X射线信号持续增加，直到2020年达到峰值亮度。"这种来自黑洞的"回波"光从SgrA*到分子云经过了数百年的时间，然后又经过了大约2.6万年的时间才到达地球。通过分析这种X射线回波，Uteg开始重建黑洞过去活动的时间轴，提供了仅靠直接观测无法获得的洞察力，分析过程使用了来自NuSTAR以及欧洲航天局X射线多镜（XMM）牛顿空间观测站的数据。Uteg说："我们关注这个云团变亮的一个主要原因是，它能让我们确定过去SgrA*爆发的亮度。"在这些计算中，Uteg和MSU的团队确定，大约200年前，SgrA*在X射线中的亮度大约是我们今天看到的它的5个数量级。张说："这是我们第一次为我们的超大质量黑洞周围的分子云构建了一个长达24年的可变性，这个分子云已经达到了它的X射线光度峰值。它使我们能够了解到SgrA*在大约200年前的活动情况。我们在MSU的研究团队将继续这种'天体考古游戏'，进一步揭开银河系中心的神秘面纱。"虽然引发X射线耀斑的确切机制和黑洞的精确生命周期仍然是个谜，但MSU的研究人员相信，他们的发现将引发进一步的研究，并有可能彻底改变我们对这些神秘天体的认识。Uteg和Sanger-Johnson得到了NASANuSTAR客座观测计划的支持。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434874.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434874.htm

当恒星成为黑洞的猎物：天文学家揭开潮汐扰动事件的神秘面纱

当恒星成为黑洞的猎物：天文学家揭开潮汐扰动事件的神秘面纱"恒星被撕裂后，其气体会在黑洞周围形成一个吸积盘。"来自图尔库大学和欧空局芬兰天文中心（FINCA）的博士后研究员亚尼斯-利奥达基斯（YannisLiodakis）说："几乎所有波长都能观测到来自吸积盘的明亮爆发，尤其是利用光学望远镜和探测X射线的卫星。"直到最近，研究人员还只知道一些TDEs，因为能够探测它们的实验并不多。不过，近年来科学家们已经开发出观测更多TDE的必要工具。有趣的是，但也许并不太令人惊讶的是，这些观测结果揭示了研究人员目前正在研究的新奥秘。"利用光学望远镜进行的大规模实验发现，大量的TDEs并不产生X射线，尽管可以清楚地探测到可见光的爆发。这一发现与我们对TDEs中被破坏的恒星物质演化的基本理解相矛盾，"Liodakis指出。在潮汐扰动事件中，一颗恒星移动到足够靠近一个超大质量黑洞的位置，这样黑洞的引力就会使恒星弯曲，直到被摧毁（图1）。来自被摧毁恒星的恒星物质在黑洞周围形成一个椭圆流（图2）。气体在环绕黑洞后返回途中撞击黑洞，在黑洞周围形成潮汐冲击（图3）。潮汐冲击会产生明亮的偏振光爆发，可以用光学和紫外线波长观测到。随着时间的推移，来自被摧毁恒星的气体会在黑洞周围形成一个吸积盘（图4），并从那里被慢慢拉入黑洞。注：图片比例不准确。图片来源：JenniJormanainen由芬兰天文中心和欧洲南方天文台领导的一个国际天文学家小组在《科学》杂志上发表的一项研究表明，来自TDEs的偏振光可能是解开这个谜团的关键。在许多TDE中观测到的光学和紫外线爆发可能来自潮汐冲击，而不是黑洞周围X射线明亮吸积盘的形成。这些冲击形成于远离黑洞的地方，因为来自被摧毁恒星的气体在环绕黑洞后返回的途中撞击了自己。在这些事件中，X射线亮吸积盘的形成要晚得多。"偏振光可以提供有关天体物理系统基本过程的独特信息。我们从TDE测量到的偏振光只能用这些潮汐冲击来解释，"该研究的第一作者Liodakis说。研究小组在2020年底收到了盖亚卫星发出的公共警报，称附近一个星系发生了核瞬变事件，该星系被命名为AT2020mot。研究人员随后在图尔库大学所属的北欧光学望远镜（NOT）上对AT2020mot进行了各种波长的观测，包括光学偏振和光谱观测。在北欧光学望远镜（NOT）上进行的观测尤其有助于促成这一发现。此外，偏振观测也是高中生天文观测课程的一部分。来自FINCA和图尔库大学的博士研究员JenniJormanainen说："北欧光学望远镜和我们在研究中使用的偏振计在我们了解超大质量黑洞及其环境的工作中发挥了重要作用。"研究人员发现，来自AT2020mot的光学光具有高度偏振，并且随着时间的推移而变化。尽管进行了多次尝试，但没有一个射电或X射线望远镜能够在爆发高峰之前、期间甚至数月之后探测到该事件的辐射。"当我们看到AT2020mot的极化程度时，我们立刻想到了从黑洞中喷射出的喷流，就像我们在超大质量黑洞周围经常观测到的那样，黑洞会吸积周围的气体。"图尔库大学和FINCA的学院研究员埃利纳-林德弗斯（ElinaLindfors）说。天文学家小组意识到，这些数据最符合这样一种情况：恒星气体流与自身发生碰撞，并在其围绕黑洞的轨道的近心点和远心点附近形成冲击。然后，冲击会放大恒星流中的磁场并使其有序化，这自然会导致高度偏振光。光学偏振的程度太高，大多数模型都无法解释，而且它还在随时间变化，这就更难解释了。卡里-科尔约宁（KarriKoljonen）指出："我们研究的所有模型都无法解释观测结果，只有潮汐冲击模型除外。"研究人员将继续观测来自TDEs的偏振光，也许很快就会发现更多关于恒星被破坏后发生了什么的信息。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372269.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372269.htm

天文学家发现双黑洞系统“打嗝”的原因

天文学家发现双黑洞系统“打嗝”的原因在距离地球8亿光年的一个星系中，有一个超大质量黑洞，在2020年12月之前，它一直保持着相对安静的状态。当时，天文学家在电磁波谱的X射线部分探测到了一个微弱的"光"爆发。这次爆发的间隔异常规律，每隔8.5天就会出现一次。研究这一案例的国际天文学家小组认为，这一奇特现象类似于某种宇宙"打嗝"。最新发表的一项研究解释说，这些周期性的"打嗝"现象很可能是由两个黑洞相互绕行造成的，其中较小的奇点与位于遥远星系中心的超大质量黑洞的吸积盘发生碰撞。麻省理工学院研究科学家、论文合著者Dheeraj"DJ"Pasham指出，国际空间站上的NICER（中子星内部成分探测器）X射线望远镜在研究这些宇宙"小嗝"的发生过程中发挥了至关重要的作用。帕沙姆利用分配给他的时间将望远镜对准了发射X射线暴的星系。在收集了四个月的数据后，研究人员观察到高能辐射的下降周期为8.5天。帕沙姆说："这几乎就像一颗恒星的亮度在一颗行星穿过它的前方时会变暗一样，但在这种情况下，整个星系的亮度都受到了影响。"受捷克物理学家发表的关于超大质量黑洞有一个较小的轨道伴星的理论启发，帕沙姆利用自己通过NICER天文台收集的数据进行了模拟。数据支持了这一理论，但2020年12月突然出现的X射线暴之谜仍未解开。研究人员现在认为，这些光爆是由"潮汐破坏事件"（TDE）引起的。"潮汐破坏事件"是一场宇宙大灾难，涉及一颗恒星被黑洞的引力拉扯，然后被撕成碎片。TDE提供了足够的物质来丰富超大质量黑洞周围微弱的吸积盘，而吸积盘又受到穿过吸积盘的较小黑洞的干扰。帕沙姆现在认为，这些不寻常的双黑洞系统可能是宇宙中相对常见的现象。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425565.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425565.htm

美国宇航局追踪碰撞过程中的超大质量黑洞

美国宇航局追踪碰撞过程中的超大质量黑洞根据定义，矮星系包含总质量小于30亿个太阳的恒星--或比银河系小20倍左右。天文学家长期以来一直怀疑，矮星系会进行合并，特别是在相对早期的宇宙中，以便成长为今天看到的较大的星系。然而，目前的技术无法观测到第一代矮星系的合并，因为它们在遥远的距离上异常微弱。另一种策略是寻找更近的矮星系合并，但到目前为止还没有成功。这项新的研究克服了这些挑战，通过对钱德拉X射线深层观测进行系统调查，并将其与来自美国宇航局的宽红外测量探测器（WISE）的红外数据和来自加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）的光学数据相比较。钱德拉对这项研究特别有价值，因为黑洞周围的物质可以被加热到数百万度，产生大量的X射线。研究小组在碰撞的矮星系中寻找一对明亮的X射线源作为两个黑洞的证据，并发现了两个例子。用钱德拉发现了矮星系中两对处于碰撞过程中的超大质量黑洞的证据。这两对黑洞在钱德拉的X射线和加拿大-法国-夏威夷望远镜的光学光线下显示。左边的合并处于后期阶段，被赋予了Mirabilis这个单一的名字。另一个合并处于早期阶段，两个矮星系被命名为Elstir（底部）和Vinteuil（顶部）。天文学家认为，矮星系--那些质量比银河系小20倍左右的星系--通过与其他星系的合并而成长。这是早期宇宙中星系生长的一个重要过程，这一发现为科学家提供了更详细的研究实例。其中一对位于距离地球7.6亿光年的Abell133星系团中，在左边的合成图中看到。粉红色的是钱德拉X射线数据，蓝色的是来自CFHT的光学数据。这对矮星系似乎处于合并的后期阶段，并显示出一个由碰撞产生的潮汐效应造成的长尾。这项新研究的作者给它起了个绰号叫"Mirabilis"，这是根据一种以特别长的尾巴而闻名的蜂鸟的濒危物种。只选择了一个名字，因为两个星系合并成一个星系的过程几乎已经完成。这两个钱德拉源显示了来自每个星系中黑洞周围物质的X射线。Mirabilis的X射线和光学合成另一对是在Abell1758S发现的，这是一个大约32亿光年外的星系团。右边是来自钱德拉和CFHT的合成图像，使用的颜色与Mirabilis的相同。研究人员给合并的矮星系起了个绰号"Elstir"和"Vinteuil"，以MarcelProust的《寻找逝去的时光》中虚构的艺术家命名。Vinteuil是在上面的星系，Elstir是在下面的星系。这两个星系都有与之相关的钱德拉源，同样来自每个星系中黑洞周围物质的X射线。研究人员认为这两个星系已经陷入了合并的早期阶段，导致两个碰撞的星系在引力作用下形成了一座由恒星和气体组成的桥梁。Elstir&Vinteuil的X射线和光学合成图合并的黑洞和矮星系的细节可能为我们了解银河系自己的过去提供启示。科学家们认为，几乎所有的星系都是从矮星系或其他类型的小星系开始的，并在数十亿年的时间里通过合并而成长。对这两个系统的后续观测将使天文学家能够研究对了解宇宙最早阶段的星系及其黑洞至关重要的过程。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349871.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349871.htm

宇宙碰撞：带有巨大黑洞的矮星系揭开了早期宇宙的秘密

宇宙碰撞：带有巨大黑洞的矮星系揭开了早期宇宙的秘密科学家们认为，宇宙在大爆炸后的几亿年里充斥着小型星系，被称为"矮星系"。大多数星系在早期宇宙的拥挤、较小的体积中与其他星系合并，启动了现在在附近宇宙中看到的越来越大的星系的建造过程。根据定义，矮星系包含总质量小于太阳30亿倍的恒星，而银河系的总质量估计约为600亿个太阳。最早的矮星系是不可能用目前的技术来观测的，因为它们在很远的距离上是非常微弱的。天文学家已经能够在距离地球更近的地方观察到两个正在合并的星系，但两个星系都没有黑洞的迹象。领导这项研究的阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校的MarkoMicic说："天文学家已经在相对较近的大星系中发现了许多黑洞碰撞的例子。但是在矮星系中寻找它们的挑战要大得多，直到现在还没有成功。"Mirabilis的X射线和光学合成图。这项新的研究克服了这些挑战，通过对钱德拉X射线深层观测进行系统调查，并将其与来自美国宇航局的宽红外测量探测器（WISE）的红外数据和来自加拿大-法国-夏威夷望远镜（CFHT）的光学数据进行比较。钱德拉对这项研究特别有价值，因为黑洞周围的物质可以被加热到数百万度，产生大量的X射线。研究小组在碰撞的矮星系中寻找成对的明亮X射线源作为两个黑洞的证据，并发现了两个例子。"我们已经在碰撞的矮星系中确定了第一对不同的黑洞，"共同作者OliviaHolmes说，他也来自阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校。"利用这些系统作为早期宇宙中的类似物，我们可以深入研究关于第一批星系、它们的黑洞以及碰撞所导致的星体形成的问题。"Elstir&Vinteuil的X射线和光学合成。一对位于距离地球7.6亿光年的Abell133星系团中，另一组在Abell1758S星系团中，它距离地球约32亿光年。这两对星系都显示出结构，是星系碰撞的特征迹象。位于Abell133的这对星系似乎处于两个矮星系合并的后期阶段，并显示出一个由碰撞产生的潮汐效应造成的长尾。这项新研究的作者给它起了个绰号叫"Mirabilis"，这是根据一种以特别长的尾巴著称的濒危蜂鸟的名字。只选择了一个名字，因为两个星系合并成一个星系的过程几乎已经完成。在Abell1758S中，研究人员给合并的矮星系起了个绰号"Elstir"和"Venteuil"，这是以MarcelProust的《寻找逝去的时光》中的虚构艺术家命名的。研究人员认为这两个已经陷入了合并的早期阶段，导致星星和气体的桥梁连接两个碰撞的星系。合并的黑洞和矮星系的细节可能为我们的银河系自身的过去提供启示。科学家们认为几乎所有的星系都是从矮星系或其他类型的小星系开始的，并在数十亿年中通过合并而成长。共同作者、阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校的布伦娜-韦尔斯说："早期宇宙中的大多数矮星系和黑洞到现在可能已经变大了，这要归功于反复的合并。在某些方面，矮星系是我们的星系祖先，经过数十亿年的演变，产生了像我们自己的银河系这样的大星系。""对这两个系统的后续观测将使我们能够研究对理解星系及其黑洞的婴儿至关重要的过程，"共同作者JimmyIrwin说，他也来自阿拉巴马大学塔斯卡卢萨分校。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354087.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354087.htm