^☆本文源自国家自然科学基金委员会政策局2017年12月完成的《学科发展态势评估系列研究报告》之《天文学十年：中国与世界》。

黑洞在宇宙中是普遍存在的。观测表明,宇宙中大部分星系中心都存在一个质量在几十万到几十亿倍的太阳质量的超大质量黑洞,而每个星系中都存在几千万个恒星级质量的黑洞。黑洞吸积是指黑洞周围的气体在黑洞引力的作用下向黑洞下落的物理过程。这一过程会释放出很强的辐射,并伴随着物质外流。

现代天体物理的许多重要分支都是以黑洞吸积作为其理论基础的,包括活动星系核、伽玛射线暴、黑洞X射线双星、黑洞对恒星的潮汐撕裂事件等。因此研究黑洞吸积是理解这些研究对象的关键。另一方面,黑洞周围极端的物理条件：强引力、强磁场、高温度、高密度等对于我们检验、发展一些基本物理规律,如广义相对论等,具有重要作用。最后,星系中心的超大质量黑洞吸积导致的物质和能量与宿主星系中气体的相互作用还可能是我们理解星系形成和演化的关键物理过程。

黑洞吸积理论的研究内容包括吸积的动力学、辐射、喷流的产生、加速、准直、风的产生以及物理性质等内容。研究黑洞吸积涉及到的物理工具包括流体、磁流体动力学、辐射物理、等离子体物理、广义和狭义相对论等。按照吸积流的温度划分,黑洞吸积分为冷吸积模型以及热吸积模型两大类。按照吸积率进一步划分,前者包括标准薄盘以及超爱丁顿吸积盘,后者包括径移主导吸积流以及明亮的热吸积流。该理论的一个核心问题是气体角动量的转移机制。美国的Balbus以及Hawley的工作表明,是吸积盘中的磁转动不稳定性导致了角动量的转移。他们因为此工作获得了2013年的邵逸夫天文奖。

黑洞吸积研究始于1960年代,早年主要依靠解析研究。自1990年代起,由于计算机硬件以及计算数学的快速发展,大规模数值模拟越来越成为主要的研究手段。观测方面,上面提到的以黑洞吸积为基础的各个研究领域需要使用从射电、亚毫米,一直到X射线、伽马射线等各个波段的望远镜的观测数据。由于其他研究内容如伽马射线暴、活动星系核等有专门的章节介绍, 我们在此侧重介绍吸积理论的有关内容。黑洞吸积研究近10年来的主要研究热点和进展介绍如下。

（1）热吸积流的风

宇宙中绝大部分星系核心的超大质量黑洞都是处于热吸积的模式,比如我们的银河系。热吸积流近年来的主要研究热点是风的问题,这方面主要的突破是由中国科学院上海天文台的黑洞吸积课题组完成的。风的研究始于1999年国际上发表的第一篇黑洞吸积整体数值模拟论文。该文发现,吸积率随着半径的减小而降低。为解释这一结果,国际上提出了两个模型：ADIOS与CDAF。这两个模型分别认为是风以及对流导致的吸积率的降低。这两个模型相互竞争了十几年的时间,期间邵逸夫天文奖获得者Hawley教授等著名吸积盘专家也都加入了对该问题的讨论,但一直没有结果。

为解决这一疑难问题,中国科学院上海天文台的课题组基于磁流体力学数值模拟,结合物理分析,对这一问题进行了研究。他们计算并比较了内外流的统计物理性质,并研究了含磁场吸积流的对流稳定性,证明吸积流是对流稳定的。基于这两方面的原因,他们证明热吸积流中必定存在很强的风。这一研究解决了黑洞吸积的一个基本问题,结束了在该问题上的争论。该理论工作发表后第二年就被一个由国际上60余位学者联合利用Chandra卫星进行的大型观测项目完全证实。

除了证明风的存在之外,还需要给出风的质量流等定量物理性质,这些性质对于研究活动星系核反馈与星系演化非常重要。中国科学院上海天文台的课题组进一步研究了这一问题,创造性地提出了虚拟粒子轨迹线方法,然后基于GRMHD数值模拟数据成功区分了湍流以及系统性外流,从而得到了风的质量流、能量和动量流等各种物理性质。

热吸积流的风不止是对于吸积理论本身,还对于活动星系核反馈、星系演化起着关键作用。将来该方向的主要发展将是从观测上对上述理论进行检验完善。由于风是完全电离的,通常的观测蓝移吸收线的方法难以应用。近两年来利用其他方法观测风方面取得了重要进展,结果都发表在了Nature等高影响因子杂志上。

（2）标准薄盘的风

近10年来针对标准薄盘的研究热点也是关于风的问题。与热吸积流中风的研究不同,薄盘中的风的研究理论上仍然很不清楚,但是观测上通过光学、X射线观测积累了非常多的数据,包括活动星系核、黑洞X射线双星方面。这些数据包括不同光度下风的质量流、速度等各种物理性质。关于风的起源的研究,目前提出的机制有三个：热驱动、磁场驱动、辐射驱动。具体在不同类型的源中哪种机制起主导作用,仍然是个存在较大争议、没有解决的问题。原则上可以通过复杂的辐射磁流体动力学模拟来研究这一问题,然而由于盘非常薄,造成这一问题技术上非常困难,预计近期内还很难实现大的突破。

（3）标准薄盘的稳定性问题

经典的标准薄盘理论预言,吸积率高于某个值时,薄盘是辐射压不稳定的。然而这一预言却与观测矛盾。解决这一问题最好的办法是进行辐射磁流体数值模拟。国际上近年来在这方面进行了不懈努力,但是结果仍然令人失望：最新的数值模拟结果仍然表明薄盘是不稳定的。虽然有一些研究组报道了一些解决办法,但是都不能完全让人信服。这个问题至今仍是吸积盘领域的难题之一。

（4）超爱丁顿吸积

超爱丁顿吸积的研究始于1980年代,最著名的工作是Abramowicz等人提出的细盘（slim）模型。该模型是一维解析的工作,一个重要假设是,光子在吸积流中是通过扩散方式传播的。该工作最重要的发现是所谓的“光子囚禁”效应,该效应导致超爱丁顿吸积流的辐射效率比标准薄盘小得多。

随着黑洞吸积领域数值模拟研究的飞速发展,近年来已经可以进行超爱丁顿吸积的数值模拟,这样就可以检验以前的解析模型是否正确。这方面有代表性的包括日本国立天文台以及美国普林斯顿大学、哈佛大学等几个小组的工作。这些工作中,普林斯顿大学小组严格求解辐射转移方程,因此他们对于辐射转移的处理最精确。他们的研究结果与传统模型非常不同。一是发现吸积存在很强的外流。第二,也是更重要的,他们发现超爱丁顿吸积流的辐射效率与标准薄盘的辐射效率几乎完全相同,远高于一维解析细盘模型的预言。产生这一差异的物理原因是,除了细盘模型中考虑到的光子扩散,他们发现在存在磁场的请况下,还存在一种新的类似磁浮力的竖直方向的能量传输方式。这一能量传输机制比光子扩散要有效得多。

与普林斯顿课题组的工作不同,哈佛课题组的工作用的是一种称为“M1闭合算法”的近似辐射转移处理方法。与普林斯顿结果相似之处是,他们也发现了磁场导致的那种新的能量传输机制。不同之处是,他们发现,在靠近吸积盘赤道面附近,光子囚禁效应比前者给出的更加重要。另外,前者发现辐射近似是近似各向同性的,而后者发现辐射是强烈各向异性的。目前上述两个课题组得到不同结果的原因还不清楚,但是这两个课题组的工作都清楚地表明,以前的解析模型存在较大的问题。这些结果表明了辐射磁流体数值模拟的重要性。

（5）喷流的形成

吸积盘中喷流的产生问题是高能天体物理中一个困难问题。前人提出了几个解析的模型,比较著名的有Blandford & Znajek（BZ）模型以及Blandford & Payne（BP）模型。这两个模型都是大约40年前提出的,模型中不可避免地采取了一些简化假设。近年来,由于数值模拟的快速发展,广义相对论框架下的三维磁流体力学数值模拟已经可以检验这些解析模型。这些模拟工作显示,BZ模型得到了很好的证实,即当有大尺度磁场穿过黑洞视界且黑洞是旋转的,则磁场能够有效提取黑洞转动能,形成喷流。在极端情况下,比如磁场非常强时,这一过程非常有效,发现喷流中的功率甚至高于吸积功率。然而,到目前为止,BP机制还没有被数值模拟证实。数值模拟的确发现除了BZ喷流还存在其他喷流。这种喷流是由吸积盘驱动的而不是黑洞的旋转。但是仔细分析发现,此时的驱动力不是BP模型预言的磁离心力,而是环向磁场的磁压梯度力。

通过以下3组文献计量学统计数据,可以评估中国在黑洞吸积研究领域的国际地位：2010–2014年,中国在黑洞吸积领域发表的学术论文数量在国际上排名第6 , 但是论文被引频次仅排在第10位,高被引论文数量仅排在第11位。这说明中国该领域发表的论文数量尚可,但质量有待提高。比如,与排名第1的美国相比,我们的论文数是其1/5, 而论文被引频次则是其1/10 , 高被引论文数更是下降到美国的1/15。因此,总体上看,中国在黑洞吸积领域的国际学术地位有待提高。

中国从事黑洞吸积领域的研究人员主要分布在中国科学院上海天文台、厦门大学、中国科学院国家天文台、中国科学院高能物理研究所、南京大学、北京大学、华中科技大学等机构。早年的研究主要是在吸积的解析理论方面,以及在各种具体类型的天体中的观测应用,如活动星系核、黑洞双星等。近年来研究工作逐渐拓展,研究手段发展到辐射流体、磁流体数值模拟研究。国内学者也取得了显著的科学成果。如上面介绍的近几年的主要进展中,关于风的研究成果就是由国内学者（中国科学院上海天文台、厦门大学等）主导完成的。另外,中国科学院国家天文台的学者在吸积盘冕的研究、高能所的学者在超爱丁顿吸积方面也都做出了出色的工作。部分国内学者在该领域具有较大的国际影响力,黑洞吸积领域的国际学术会议（包括IAU Symposium等会议）一般都会邀请国内学者任SOC成员或者做特邀报告。尤其是2014年国际天文和天体物理领域最权威的综述性杂志Annual Review of Astronomy and Astrophysics邀请我国学者作为第一作者撰写了该领域的综述论文。该文是黑洞吸积领域发展几十年来在该杂志上发表的第二篇综述,也是国内天文界在该杂志上发表的第二篇论文。但是总的来说,目前从事黑洞吸积方向研究的国内学者数量较少,发表的高被引论文整体看也有待进一步提高。

近年来,由于数值模拟的快速发展,黑洞吸积研究进展迅速。目前看发展仍然处于上升期。一方面是由于活动星系核、黑洞双星等领域一些关键性的科学问题至今尚未解决,比如为何存在射电亮的类星体;黑洞双星中的态跃迁是如何发生的;喷流的起源以及物质成分是什么;明亮的活动星系核的高能辐射起源如何等等。另外,近年来关注度迅速提高的黑洞潮汐撕裂恒星事件、时域天文等新的热点研究方向,也已经并将继续给黑洞吸积理论提出全新的研究课题。研究这些问题当然需要理论与观测的紧密结合。理论方面,数值模拟起着越来越重要的作用。观测方面,由于黑洞吸积涉及的研究方向较多,几乎各波段的望远镜的观测数据都会提供重要的帮助,这其中包括我们参与的国际观测设备以及我国主导的观测设备如SKA、TMT、HXMT、LOT等。