黑洞也有“吃撐”的時候，開學第一天武大天文系研究成果登上Science

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浩瀚的宇宙空間里有不計其數的天體，黑洞是其中非常特殊的存在。

正值開學季，武漢大學一個師生團隊又收獲了一份與黑洞有關的“開學禮包”。

9月1日，武漢大學物理科學與技術學院天文學系副教授、小米青年學者游貝領銜的國際團隊，在《科學》（Science）上發表關于黑洞的最新研究成果。游貝副教授為第一作者，游貝、浙江大學曹新伍教授、中國科學院上海天文臺閆震研究員為共同通訊作者。

“我們發現了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接觀測證據，揭示了黑洞周圍‘看不見’的神秘磁場，破解了磁囚禁盤的形成之謎。”游貝告訴《中國科學報》。

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成果中文海報。武漢大學游貝團隊供圖

“不可思議”的天體

黑洞捕獲物質的物理過程被稱為“吸積”，被捕獲的物質則被稱為吸積流。

資料顯示，作為一種極為致密和“強大”的天體，黑洞的引力大到使光線都無法逃脫。與此同時，黑洞不僅在“吃”（吸積物質），同時也在“吐”（外流）。

“通過對物質的吸積，黑洞間接地彰顯了自己的存在。”游貝說。天文學家已經在多個致密雙星系統之中探測到恒星級黑洞的存在，這類黑洞吸積時產生明亮的Ｘ射線輻射和射電輻射。

相比于“明亮”的輻射，黑洞周圍還存在著“看不到”的磁場。黑洞吸積物質的同時，也會順帶著把磁場“拽”進來。力是相對的，隨著吸積物質將外部弱磁場持續帶入，磁場及其對物質的向外磁力會逐漸增強。

“當磁場的向外磁力與黑洞的向內引力相當時，吸積流就會被磁場囚禁，無法自由地掉入黑洞，形成磁囚禁盤。”游貝介紹，磁囚禁盤理論模型可廣泛應用于各類天體，并且成功解釋了黑洞產生的相對論噴流。

然而，此前一直沒有磁囚禁盤存在的直接觀測證據，磁囚禁盤是如何形成的更是一個未解之謎。

黑洞這個“不可思議的天體”，吸引著各國科學家們前赴后繼。

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 游貝（中）與團隊成員合影。受訪者供圖

黑洞也有“吃撐”的時候

時針撥回2021年。那年開春，游貝團隊一項關于黑洞吸積的研究成果發表于Nature Communications，他們利用慧眼衛星發現逃離黑洞的高速等離子體。

在那之后的一次會議上，同行的不經意的一句話引起了游貝的注意。“當時，我有了一個新想法。”游貝回憶，“那天晚上，我就讓學生用現有的數據試著畫一畫圖。”

“畫一畫”所用到的數據，來源于2018年我國第一顆Ｘ射線天文衛星“慧眼號”和其他國際觀測設備，對一次黑洞吸積事件進行的詳盡觀測。

那時的游貝并不知道，又一項重要的突破正在萌芽。

“利用這批觀測數據，我們首次觀測到噴流射電輻射的長時標延遲現象。這是前所未見的。”游貝說。

外部弱磁場被吸積流帶入而增強，而且吸積流的空間尺度越大，磁場增強越明顯，這使得黑洞附近磁場快速增強，并最終達到磁囚禁盤狀態。

“這說明，黑洞并不像‘饕餮’一樣來者不拒，也會有‘吃撐’的時候。”游貝介紹，“磁場會阻礙物質‘掉’進黑洞。”

這項研究第一次揭示了吸積流中的磁場輸運過程，以及黑洞附近熱吸積流中形成磁囚禁盤的完整過程，成為迄今為止磁囚禁盤存在的最直接觀測證據。

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 游貝（左）接受中國科學報記者采訪。謝午陽攝

本科生參與“頂級”探索

面對這項最新成果，游貝直言：“整個過程還挺順利！”

但是，這對團隊中的吳岳和夏天宇來說，卻是不小的挑戰。

吳岳和夏天宇是論文署名列表中的兩個有些特別的作者。因為，在這項研究開始時，他們還是武漢大學的本科生。

“和游老師的相識，有些巧合。”吳岳回憶。2018年夏天，他參加暑期社會實踐時，旁聽了一場核天體物理學術會議。會上，對天文學很感興趣的吳岳與游貝相識。就這樣，兩人一拍即合，吳岳成為游貝指導的第一個學生，開始學習吸積相關的知識。

一年后，吳岳同年級的夏天宇也加入了團隊，進行科研實踐訓練。“我主要進行慧眼衛星數據能譜擬合相關的工作。這項研究中所使用的Ｘ數據，就是來源于慧眼衛星。”夏天宇說。

剛加入團隊時，夏天宇直言自己“懂得不多”。面對此前沒怎么接觸過的工作，他一時有些找不準方向。

2021年開春的那個晚上，在會議上有了新想法的游貝讓夏天宇利用現有數據畫圖。當草圖擺在面前時，游貝的第一反應卻是“畫錯了”。經過反復檢查，他們才證實草圖是正確的。

在這樣逐步摸索的過程中，夏天宇感受到了“游老師的厲害”：“在游老師的指導下，我發現數據處理也需要很強的思維敏銳度。同樣的數據，分析角度不同，所能闡釋的現象相應的也就不同。”

對此，吳岳也有相同的感受，“他的思路非常活躍，遇到一個問題，邊討論著就能想到巧妙的解決方案，甚至提出新的課題方向。”2021年夏天，本科畢業之后，吳岳依然積極參與游貝團隊的討論交流。

2022年春節后，論文投稿。9月1日，一項關于黑洞的重要研究，在積極的審稿意見下，順利登上《科學》。對于還在武大繼續仰望星空的游貝，或是已經分別前往中國科學技術大學和南京大學攻讀研究生的夏天宇和吳岳同學而言，這無疑都是一份難得的“開學禮物”。

“坦率地說，我們不知道的遠比知道的要多得多。這項研究只是向前走了一小步，未來還有很多科學問題等著我們去探索。”游貝對接下來的科學探索充滿憧憬。