2019年4月10日，Event Horizon Telescope (EHT)合作小组公布了位于Messier 87星系中心的第一张黑洞照片，向人类展示了黑洞的“真实面貌”。实际上，黑洞照片揭示的是黑洞吸积这一重要的物理过程，即物质被黑洞引力所捕获而向引力中心运动的过程。物质被黑洞吸积的过程中，会释放自身的引力能，产生多波段辐射。正是由于这样的吸积活动，人类才实现了对黑洞的“成像观测”。2022年5月12日，天文学家公布了第二张黑洞照片，即位于银河系中心的人马座A*超大质量黑洞的首张图像，揭示了我们银河系中心同样存在着黑洞以及相应的吸积过程。
在银河系中，黑洞吸积过程不仅存在于星系中心的超大质量黑洞，也存在于恒星级质量的黑洞。20世纪60年代，人们利用火箭和气球确定了太阳系之外的大约30个X射线源，随后便提出这些源的明亮X射线辐射起源于吸积黑洞或者吸积中子星。最早被认为是吸积黑洞的X射线源叫做天鹅座X-1(Cyg X-1)。超大质量黑洞吸积的物质主要来自星系中心的气体云，而恒星级黑洞吸积的物质来自于黑洞附近的恒星。黑洞与恒星被引力束缚在一起构成双星系统（如图1所示）。因此，人们早期探测到的太阳系外的许多明亮X射线天体，包括Cyg X-1，实际上是一类双星系统。根据伴星质量的大小，常将双星细分为高质量X射线双星（high mass X-ray binary, HMXRB）和低质量X射线双星（low mass X-ray binary, LMXRB）。对于HMXRB而言，黑洞通过捕获恒星星风来吸积物质。对于LMXRB而言，黑洞则是通过捕获填充Roche lobe的恒星表面来吸积物质。
从20世纪60年代发现双星至今，人们对双星中黑洞吸积的认知已经取得了长远的进展。在观测上，我们已经知道双星爆发的过程常呈现着长时标（天量级）的光变，这与吸积盘不稳定性密切相关。不稳定性在吸积流中的传播导致物质吸积率随时间演化，而且物质吸积率的变化往往会跨越高达7个数量级，意味着在双星爆发过程中吸积模式也必然在相应改变。因此，通过双星爆发时的长时标光变，我们能够研究黑洞吸积过程中吸积盘不稳定性及其传播，以及吸积流的演化。此外，双星在短时标（秒量级）上也存在着剧烈光变。这可能与黑洞附近强引力场的相对论效应有关。黑洞对物质的吸积过程常伴随着物质的向外喷射（喷流），而喷流的产生与黑洞附近吸积流及其磁场密切相关。因此，双星是研究黑洞吸积、喷流、吸积与喷流耦合等物理过程的理想实验室之一，能帮助我们理解吸积盘大尺度磁场的形成和输运过程，以及喷流的产生机制。
图1 黑洞X射线双星艺术想象图
考虑到不同尺度的吸积系统，比如活动星系核、原初恒星等，存在着相似的吸积过程和光变机制，以及吸积流与喷流的耦合过程。研究黑洞双星的爆发现象，能够帮助我们理解不同尺度的吸积天体的物理过程及其演化。更重要的是，相比于活动星系核，黑洞双星具有较短的特征光变时标。因此，研究双星中吸积流的演化，对于理解这些跨尺度、跨质量天体中的吸积物理过程有着一定的优势和重要作用。
武汉大学游贝课题组在《科学通报》发表评述文章，基于国内外近些年的相关文献，综述了黑洞X射线双星吸积这一领域的观测和理论研究进展。
游贝*, 徐赛恩, 龙毅. X射线双星爆发中的黑洞吸积. 科学通报, 2024, 69(28-29): 4230–4244
https://doi.org/10.1360/TB-2024-0481
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