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[转载]黑洞燃料的直接观测 | The Innovation

已有 1142 次阅读 2023-3-18 15:28 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

类星体是一种在极其遥远距离外观测到的高光度天体,被誉为是20世纪60年代天文四大发现之一。随着类星体的发现,科学家们提出了“黑洞通过吸积气体释放引力能作为类星体发光能源”的理论,并猜想类星体中持续不断地有外来气体为吸积盘供给燃料,但这从未得到观测验证。利用宇宙中最丰富的氢和氦元素作为探针,通过吸收谱线直接观测到以自由落体速度流向黑洞的内流气体,解决了学界长期悬而未决的科学问题,即黑洞吸积燃料的来源。

 Peng Jiang TheInnovation创新 2023-03-16 00:01

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图1 图文摘要

观测表明,大多数星系中心都存在质量比太阳大百万到百亿倍的超大黑洞。目前普遍认为这些超大质量黑洞是从百倍到十万倍太阳质量的种子黑洞通过吸积宿主星系内的星际气体增长而来的。当中心黑洞处于快速增长阶段时,吸积气体释放的引力势能转化为内能(气体自由运动的动能),围绕黑洞形成超高温的吸积盘,进而产生强烈的辐射,该电磁辐射可达普通星系中恒星辐射总量的万倍以上,因此成为了宇宙中最明亮且持续发光的天体“类星体”。据估计,在类星体中气体落到黑洞附近的质量速率达每年数十个太阳质量。

以上超大质量黑洞吸积模型最有力的证据是需直接观测到供给吸积盘的气体流。然而,由于黑洞吸积盘的视尺度实在太小,无法进行空间分辨,因此内流气体迄今为止从未被直接明确观测到,这成为黑洞吸积模型的一个长期悬而未决的问题。

当内流气体恰巧位于吸积盘到观测者的视线上时,其中的粒子(离子、原子或分子)通过电子在能级间跃迁,吸收背景吸积盘辐射中特定波长的光子,由此形成吸收线。由于只要在视线方向上有足够高柱密度的粒子就能被探测到吸收线,同时可以通过吸收线的轮廓形状以及不同种类的吸收线的强度比例来探测气体的运动学和物理性质,因此吸收线可作为探测内流气体的有效工具。

氢和氦是宇宙中最丰富的元素。理论分析表明,氢原子的巴尔末线系以及氦原子的亚稳态吸收线具有很宽的波长和振子强度分布范围,因此可以在高动态范围内精确测量原子柱密度。结合光致电离分析,可以相当可靠地获得内流气体的密度、电离状态乃至到黑洞的距离等性质。近年来随着以斯隆数字巡天为代表的光谱巡天数据库样本容量的快速增长,科学家们在越来越多的类星体光谱中探测到了氢和氦吸收谱线。

该研究探测到的具有代表性的内流气体吸收线的红移速度在0到5000公里/秒之间,最大速度5000公里每秒接近吸积盘外边界处黑洞引力的自由落体速度。将吸收线测量结果与光致电离模型进行比较,发现内流到中心黑洞距离大约为1000个引力半径,即已到达吸积盘外缘,必将被黑洞的引力俘获而汇入吸积盘。该研究工作是学界首次明确探测到直接供给吸积盘的内流气体,填补了超大质量黑洞吸积物理过程中的直接观测证据空缺,拼上了黑洞吸积物理图像“最后一块拼图”。


总结与展望

虽然吸收线观测仅提供了视线方向上的气体探测,但其对揭示遥远天体中不可空间分辨的结构提供了有效的手段。氢、氦是宇宙中含量最丰富的元素,充分发掘出氢氦吸收谱线的示踪和诊断能力,是吸收线技术的创新发展趋势。利用氢氦吸收谱线直接观测到超大质量黑洞内流的燃料气体是一次非常有益的创新探索,将在更广泛的天体物理研究中发挥关键作用。


责任编辑


黄先富  中国科学院力学研究所

禾立春  中国科学院武汉精密所


本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Editorial发表的“Tracing the massive inflows feeding super-massive black holes in quasars” (投稿: 2022-12-21;接收: 2023-01-02;在线刊出: 2023-01-02)。


DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100376


引用格式:Jiang P., Shi X., Zhou H. (2023). Tracing the massive inflows feeding super-massive black holes in quasars. The Innovation. 4(1),100376.


原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00004-8


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作者简介

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姜 鹏,中国极地研究中心副研究员,自然资源部极地工程技术创新中心副主任。


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