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黑洞吸积盘边缘的小小原子,解决了大问题

2019-12-01 13:18:59 | 来源: 匿名 | 

9月5日,来自中国极地研究所、中国科技大学和中国科学院国家天文台等研究机构的联合研究小组在《自然》杂志上发表了一项新发现:他们在类星体中心黑洞吸积盘边缘发现了一些氢和氦气原子。他们的红移吸收光谱显示,这些“冷”气体,是太阳质量的十倍,正以相当于自由落体的速度落入吸积盘。这些小原子的发现为锚定黑洞吸积模型的最后一块难题提供了决定性的观察证据。

这幅画展示了艺术家对ulas j1120 0641的想象。迄今为止,已经发现了离地球最远的类星体图片。作者:eso/m. kornmesser照片来源:https://www.eso.org/public/images/eso1122a/本照片版权由抄送4.0(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)获得

从20世纪50年代到60年代,天文学家发现了一些奇怪的天体——类星体。它们只是望远镜中的一个光点,看起来与恒星相似,但是光谱测量显示它们有很大的红移和惊人的亮度,表明它们有巨大的能量。当时很难解释这些能量的来源。直到20世纪70年代,学术界才意识到类星体不是“恒星”,而是活动星系核,其中心有大量黑洞。正是中心黑洞吞噬物质的过程为它们提供了能量:被吞噬物质的重力势能在落入黑洞的过程中转化为巨大的动能,这种动能被加速到接近光速,同时蒸发电离成等离子体,在黑洞周围形成吸积盘,发出强烈的光、紫外线和x光。

在这个过程中,大约4%到42%的物质以极高的转化效率转化为能量,释放出难以想象的巨大能量。其余的物质到达黑洞的地平线,最终被黑洞吞噬。这个被称为“黑洞吸积”的模型成功地解释了类星体观测中的许多现象,并逐渐被接受为类星体的标准模型。

黑洞吸积模型的“最后一道难题”

然而,这个标准模型是不完整的,缺少一个重要的“组件”。天文学家认为大量的物质应该被吸入黑洞来补充吸积盘,但是直接落在吸积盘上的“内部流动”从未被观察到。

艺术家对类星体黑洞吸积模型的解释:黑洞就像一条饥饿的龙,吞噬着呼吸范围内的所有物质。中国科技大学崔桥照片

很难直接观察这个区域。“类星体离我们如此之远,以至于它们看起来像是观察的点源,不能彼此直接区分。”论文的第一作者,中国极地研究所和中国科技大学周鸿雁教授解释说。用传统方法观察到的发射线是类星体核区所有方向气体发射贡献的总和,很难判断气体的运动他补充道。

因此,很难根据这些物质发出的信号判断这些物质是否落在吸积盘上以及它们是如何落在吸积盘上的,也很难直接观察物质从外向内流向吸积盘的过程。

暴露身份的“指纹”

联合小组改变了想法,分析类星体的吸收光谱,试图找到未电离的气体原子产生的吸收光谱。找到这些特征吸收线可能会减少物质移出吸积盘的轨迹。

“以前,人们没有意识到黑洞附近会有这样的‘冷’,而且会有原子形式的气体(氢原子和氦原子)。”论文的合著者之一,国家天文台研究员袁伟民解释说。人们普遍认为那里的氢和氦已经电离,是等离子体,所以没有注意它们的特征谱线然而,研究小组的计算表明,仍然应该有一些原子形式的氢气和氦气。当吸积盘明亮的高能辐射穿透这些气体并向地球传播时,能量可以被这些原子的电子吸收,在光谱中留下一系列以固定间隔规则分布的吸收线,从而为追踪气流方向提供痕迹。这些累积气体暴露的“指纹”有一定的被观察到的可能性。

研究小组几年前开始通过分析类星体的大样本光谱来寻找这些吸收线的痕迹。在搜索了100,000多个光谱后,发现8个类星体的光谱中有纯红移氢氦宽吸收线。最后,首次获得了气体直接流向黑洞吸积盘的结论性观测证据。

“这些吸收线向更长波长的红移表明离开这些吸收线的气体正以高速向黑洞中心移动,这将它们与不属于黑洞影响范围的星际物质区分开来。”周鸿雁说道。这些吸收线的红移反映了氢和氦原子向黑洞中心下落的径向速度,而不是黑洞周围的线速度袁伟民强调道。

红移存在于0公里/秒到5000公里/秒的速度范围内。唯一的解释是这些氢气和氦气正以接近自由落体的速度向黑洞移动。通过理论计算和与测量的吸收线性质的比较,可以确定这些气体位于离吸积盘边界不远的区域。由于接近自由落体的向心运动速度和黑洞的强大引力,这些气体别无选择,只能流向黑洞和吸积盘。

这是第一次从观测中发现为黑洞吸积盘补充吸积燃料的物质,从而为整个类星体的黑洞吸积模型找到了最后一块拼图。

秘密

然而,黑洞吸积的“终极问题”仍未解决。

科学家以前已经发现类星体和其他指标的辐射强度随着时间而变化,这可能与黑洞吸积盘物质供应的变化有关。据此,类星体的能量供应是不可持续的——它们“寄生”的星系可能会在落在中心黑洞引力范围内的物质被完全消耗掉后停止吸积,而星系进入无声休眠状态。

例如,银河系中心的黑洞是无声的。据此,科学家推测所有星系中心可能都有黑洞,而且它们也经历了强烈的吸积。只有在一段时间后,一些星系中心黑洞的增长才停止并进入相对稳定的状态。在某些情况下,休眠在星系中心的黑洞可能会被重新激活,吸积过程会再次开始,吸积盘会再次被“点亮”,从而形成活跃的星系核心。但是在什么情况下银河系中心的黑洞会再次被唤醒呢?科学家仍在寻找答案。

“在一个寂静的星系中,黑洞周围的物质和黑洞之间的关系达到了微妙的平衡。在黑洞周围一定距离内运动的物质具有角动量,因此它可以抵抗黑洞的重力,不会落入黑洞的魔爪。但是当它失去足够的角动量时,它的命运就会改变。然而,在什么情况下这些物质会失去足够的角动量,这个‘边界条件’我们还不清楚。”袁伟民说道。“所以这个发现并不意味着问题的完全解决;它只是为天文学家进一步研究银河系中心的黑洞是如何开始触发活动的,它是如何生长和进化的打开了一扇新的窗口。”

作者:宋建兰,《中国科学院公报》(BCAS)副主编,从事科学传播多年。

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