什么是磁囚禁吸积盘吗？黑洞周围的奇妙机制

一般来说，黑洞并不是孤立存在的，它们通常会有一个伴星，也就是一个正常的恒星。当伴星靠近黑洞时，它就会失去一部分气体，这些气体被黑洞的引力吸引，形成了一个围绕黑洞旋转的盘状结构，我们称之为吸积盘。在吸积盘中，气体不断地向内移动，同时释放出大量的能量，这些能量以不同波长的辐射形式发出，我们可以用望远镜来观测它们。

你可能会问，为什么气体会向内移动呢？这是因为吸积盘中存在着粘滞力，它使得不同半径处的气体有不同的速度。内部的气体比外部的气体旋转得更快，所以它们之间会有摩擦，导致能量和角动量的转移。能量被释放出来，而角动量被向外输送。这样一来，内部的气体就会失去一部分角动量，从而向黑洞靠近。这个过程就像一个漏斗一样，气体从外面流进来，然后越来越快地旋转，最后掉进黑洞。

但是这个过程并不是那么简单。在吸积盘中还存在着另一个重要的因素：磁场。磁场可以由吸积盘中的电*产生，也可以由伴星或者外界带进来。磁场对吸积盘有什么影响呢？首先，磁场可以增强粘滞力，使得气体更容易向内流动。其次，磁场可以影响气体的稳定性，使得它们发生震荡或者不规则运动。最后，磁场可以与黑洞相互作用，产生强大的电场和粒子加速机制。这些效果都会导致吸积盘发出更多的辐射，并且可能产生一种特殊的现象：喷流。

喷流是一种从黑洞附近垂直于吸积盘平面发出的高速、窄束、高能量的物质流。喷流是如何形成的呢？目前还没有一个完全确定的答案，但是我们知道磁场在其中起到了关键的作用。当磁场被吸积盘带入黑洞附近时，它会被拉伸和扭曲，并且与黑洞自身的旋转相耦合。这样就会在黑洞周围形成一个类似于线圈一样的结构，我们称之为磁层。磁层中存在着强大的电场，它可以从吸积盘中抽取电荷和能量，并且将它们沿着磁力线加速到接近光速。这些高速的电荷就形成了喷流，它们可以穿透吸积盘并且向外延伸，甚至可以超过黑洞所在的星系的大小。

磁场对吸积盘的影响是不是越大越好呢？答案是否定的。磁场虽然可以增强吸积盘的辐射和喷流，但是它也有一个限制。当磁场变得足够强时，它会对吸积盘产生一个向外的压力，这个压力可以抵消黑洞的引力。这样一来，吸积盘就会停止向内流动，被磁场囚禁在一个固定的位置。这种情况我们称之为磁囚禁吸积盘（MAD）。在MAD中，气体无法自由地落入黑洞，而是被磁层所控制。MAD的存在会改变吸积盘和喷流的结构和性质，从而影响我们观测到的辐射信号。

那么MAD是不是真的存在呢？有没有办法观测到它呢？科学家利用了多个望远镜对一个特殊的黑洞系统进行了观测。这个系统叫做MAXI J1820 070，它是一个黑洞X射线双星，也就是由一个黑洞和一个恒星组成的双星系统。这个系统在2018年发生了一次爆发，导致辐射强度急剧上升。科学家观测了这次爆发中不同波长的辐射信号，并且发现了一些有趣的现象。

首先，科学家发现X射线信号与无线电信号之间存在着一个约8天的延迟，也就是说X射线先达到峰值，然后8天后无线电才达到峰值。X射线主要来自于吸积盘内部靠近黑洞的区域，而无线电主要来自于喷流。这个延迟说明了在爆发过程中，吸积盘和喷流之间存在着一个时间上的不同步。

科学家认为这是由于MAD的形成造成的。当爆发开始时，吸积盘中没有足够强的磁场，所以气体可以自由地向内流动，并且产生强烈的X射线辐射。随着时间的推移，磁场被不断地带入黑洞附近，并且被放大。当磁场达到一定强度时，它就会阻止气体继续向内流动，并且形成MAD。这时候，X射线辐射就会下降，而无线电辐射就会上升，因为MAD可以提供更多的能量和电荷给喷流。所以无线电信号达到峰值时，其实就是MAD形成时。