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天文學家在亞秒差距尺度上觀察超大質量黑
上圖是一氧化碳(CO﹔指示中等密度分子氣體的存在)以紅色顯示﹔原子碳(C﹔表示原子氣體的存在)﹔氰化氫(HCN﹔指示高密度分子氣體的存在)﹔和氫復合線(H36α指示電離氣體的存在)。中央緻密氣體盤(綠色)的大小約為6光年。等離子體流出幾乎垂直於圓盤行進。
由日本國家天文台國際研究小組通過使用阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)以極高的分辨率(約1光年)觀測了Circinus星系的附近活動星系核取得了里程碑式的成就。這些觀察結果名為「在亞秒差距尺度上觀察到的超大質量黑洞進食和反饋」﹐發表在《科學》雜誌上。
這標誌著世界上第一次在包括等離子體﹑原子和分子在內的所有相態氣體中﹐對超大質量黑洞附近的氣流及其結構進行了定量測量﹐精確到幾光年的尺度。因此該團隊清楚地捕捉到了朝向超大質量黑洞的吸積流﹐並揭示了這種吸積流是由一種稱為「引力不穩定性」的物理機制產生的。
此外該團隊還發現﹐這種吸積流的很大一部分沒有被用於黑洞的增長。相反地大多數氣體以原子或分子外流的形式從黑洞附近排出﹐並返回氣體盤﹐再次參與朝著黑洞的吸積流﹔這種氣體循環過程類似於噴泉。這些發現代表了對超大質量黑洞生長機制的全面理解的重要進展。
在許多大質量星系的中心﹐存在著質量超過太陽一百萬倍的「超大質量黑洞」。這些超大質量黑洞是如何形成的﹖先前的研究提出的一個關鍵增長機制是黑洞上的「氣體吸積」。這是指宿主星系中的氣體以某種方式向中心黑洞下落的過程。由於黑洞的引力﹐聚集在超大質量黑洞附近的氣體被高速加速。由於氣體粒子之間的強烈摩擦﹐這種氣體被加熱到幾百萬度並發出明亮的光。這種現象被稱為活動星系核(AGN)﹐其亮度有時可以超過銀河系中所有恆星的總和。有趣的是一部分落向黑洞的氣體(吸積流)被認為是被這個活動星系核的巨大能量吹走的導致了外流。
上圖是高密度分子氣體沿著圓盤平面從星系流向黑洞。黑洞周圍積累的物質產生了巨大的能量﹐導致分子氣體被破壞﹐並轉化為原子和等離子體相。這些多相氣體中的大部分通過從核中流出而被排出(包括主要發生在圓盤上方方向的等離子體流出﹐以及主要發生在對角線方向的原子或分子流出)﹐但這些流出的大部分將落回圓盤﹐就像氣體噴泉一樣。
理論和觀測研究都提供了從10萬光年的星系到中心幾百光年的氣體吸積機制的詳細見解。然而﹐在一個小得多的區域內的氣體吸積﹐特別是在距離銀河系中心幾十光年的範圍內﹐由於其空間尺度極其有限仍然不清楚。例如﹐為了定量理解黑洞的增長﹐有必要測量吸積流率(有多少氣體流入)並確定在這一小尺度下作為外流物排出的氣體(等離子體﹑原子氣體﹑分子氣體)的數量和類型。不幸的是﹐這方面的觀察理解直到現在還沒有顯著的進展。
在這項研究中﹐研究小組首次成功捕捉到了從銀河系中心延伸數光年的高密度氣體盤中朝向超大質量黑洞的吸積流。由於該區域的小尺度和星系中心附近氣體的複雜運動﹐識別這種吸積流長期以來一直是一項具有挑戰性的任務。然而﹐在這種情況下﹐研究小組確定了前景分子氣體吸收背景明亮活動星系核光線的位置。這一鑒定是通過ALMA的高分辨率觀測實現。詳細的分析顯示﹐這種吸收材料正朝著遠離我們的方向移動。由於吸收物質總是存在於活動星系核和我們之間﹐這表明該團隊已經成功捕捉到了朝向活動星系核的吸積流。
此外﹐研究小組還闡明了導致這種氣體積聚的物理機制。觀測到的氣體盤本身表現出的引力如此之大﹐以至於它不能被氣體盤運動計算出的壓力所維持。當這種情況出現時﹐氣體盤在自身重量的作用下坍塌﹐形成複雜的結構﹐變得無法在銀河系中心保持穩定的運動。結果氣體迅速落向中央黑洞。現在ALMA已經清楚地揭示了這種被稱為星系中心「引力不穩定性」的物理現象。
此外﹐這項研究大大推進了對活動星系核周圍氣體流動的定量理解。從觀測到的氣體密度和吸積流的速度﹐可以計算出氣體供給黑洞的吸積率。令人驚訝的是這個速率被發現比維持這個活躍星系核活動實際所需的速率大30倍。換句話說﹐銀河系中心周圍1光年尺度的大部分吸積流對黑洞的成長沒有貢獻。那麼﹐這些多餘的氣體去了哪裡﹖這個謎團也在這項研究中被揭開。對所有相態氣體(中密度分子﹑原子和等離子體﹔對應於上面第一張圖中的紅色﹑藍色和粉色區域)﹐ALMA探測到了活動星系核的外流。
通過定量分析﹐揭示了流向黑洞的大部分氣體以原子或分子外流的形式排出。然而﹐由於它們的速度很慢﹐它們無法逃離黑洞的引力勢﹐最終回到了氣體盤。在那裡﹐它們被回收到朝向黑洞的吸積流中﹐類似於噴泉﹐從而在銀河系中心完成了一個迷人的氣體回收過程(第二張圖片)。
關於這項研究的成果﹐Izumi表示﹐「在活躍增長的超大質量黑洞周圍幾光年的區域內檢測吸積流和外流﹐特別是在多相氣體中﹐甚至破譯吸積機制本身﹐確實是超大質量黑洞研究歷史上的不朽成就。」展望未來﹐他繼續說道﹐「為了全面瞭解宇宙歷史上超大質量黑洞的增長﹐我們需要研究距離我們更遠的各種類型的超大質量黑洞。這需要高分辨率和高靈敏度的觀測﹐我們對ALMA的進一步使用以及下一代即將到來的大型無線電干涉儀抱有很高的期望。」。
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