在M77超大質量黑洞周圍觀察旋轉吸積盤

科技 02-23

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【博科園-科學科普】在20世紀70年代科學家們證實，來自銀河系中心的射電輻射來自一個超大質量黑洞(SMBH)。位於人馬座和天蠍座之間約26000光年處，這一特徵被稱為人馬座A*。從那時起天文學家就開始了解到，大多數大星系的中心都有一個黑洞。更重要的是天文學家們已經了解到，這些星系的黑洞周圍都是巨大的旋轉的塵埃和氣體，這就是它們所釋放的能量的來源。

在一個活躍的超大質量黑洞周圍，藝術家對塵埃氣體環的印象。阿爾瑪第一次很清楚地揭示了圓環的旋轉。圖片版權：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

然而直到最近，一組天文學家使用Atacama大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)，才能捕捉到在M77超大質量黑洞周圍旋轉的塵埃氣體環的圖像。這項研究最近發表在《天文學期刊》上，標題為「阿爾瑪揭示了ngc1068核中一個非均勻緻密的旋轉緻密分子環」。這項研究是由日本國家天文台的一組研究人員在鹿兒島大學的協助下進行的。

螺旋星系M77的中心區域，美國宇航局/ESA哈勃太空望遠鏡對恆星的分布進行了成像，阿爾瑪揭示了星系中心的氣體分布情況。圖片版權：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Imanishi et al./NASA/ESA Hubble Space Telescope and A. van der Hoeven

像大多數大型星系一樣，M77有一個活躍的星系核(AGN)，其中塵埃和氣體被吸進它的SMBH，導致高於正常亮度。一段時間以來天文學家一直對SMBHs和星系之間存在的奇特關係感到困惑。雖然更大的星系有更大的SMBHs，但宿主星系的體積仍然是其中心黑洞的100億倍。這自然引發了一個問題:兩個截然不同的尺度的物體如何直接影響彼此。因此天文學家們一直試圖研究AGN，以確定星系和黑洞是如何共同進化的。研究小組對M77的中心區域進行了高解析度的觀測，這是一個被禁止的螺旋星系，距離地球約4700萬光年。

利用ALMA，該團隊將M77中心周圍的區域成像，並能解決一個半徑為20光年的緻密氣體結構。正如預期的那樣，研究小組發現緻密的結構圍繞著星系中心黑洞旋轉。Masatoshi Imanishi在阿爾瑪的新聞稿中解釋道：為了解釋agn的各種觀測特徵，天文學家們假設在活躍的超大質量黑洞周圍，有一種類似於環形的多塵氣體結構。這就是AGN的「統一模型」。然而塵土飛揚的甜甜圈在外觀上非常小，高解析度的ALMA，現在我們可以直接看到結構。

M77中心超大質量黑洞周圍的氣體運動，向我們移動的氣體是藍色的，而遠離我們的氣體是紅色的。圖片版權：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.

在過去天文學家已經觀測到M77的中心，但是直到現在還沒有人能夠解決它的中心旋轉環。這是由於阿爾瑪的高解析度以及分子排放線的選擇。這些排放物包括氰化氫(HCN)和甲醛離子(HCO+)，它們只在稠密的氣體中發射微波，而一氧化碳則在各種條件下發出微波。對這些排放線的觀測證實了該團隊的另一個預測，即環面密度非常大。以前的觀測揭示了塵埃氣體環的東西延伸。從我們的阿爾瑪數據中得到的動態，完全符合托勒斯期望的旋轉方向。

然而觀測結果也表明，一個簡單的統一模型所表明的，在一個SMBH周圍的氣體分布更加複雜。根據這個模型，圓環的旋轉會跟隨黑洞的重力;但Imanishi和他的團隊發現，在環面的氣體和塵埃也表現出高度隨機運動的跡象。這可能表明M77中心的AGN有一段暴力歷史，其中可能包括與過去的一個小星系合併。簡而言之研究小組的觀察表明，星系合併可能對AGNs的形成和行為產生重大影響。在這方面對M77s torus的觀察已經為星系的歷史和演化提供了線索。

美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡拍攝了這張令人驚嘆的銀河系中心的紅外圖像。圖片版權：NASA/JPL-Caltech

對SMBHs的研究雖然密集，但也非常具有挑戰性。一方面是最近的SMBH(射手座A*)相對比較安靜，只有少量的氣體吸進它。與此同時它位於我們星系的中心，在那裡塵埃、氣體和恆星之間的相互作用使它變得模糊。因此天文學家被迫尋找其他星系來研究SMBHs和它們的星系是如何共存的。經過幾十年的研究和儀器的改進，科學家們開始第一次對這些神秘區域有了清晰的了解。通過對這些黑洞的詳細研究，天文學家們也對這些巨大的黑洞和它們的環狀結構隨著時間的推移如何與它們的星系共存而獲得了有價值的見解。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：ALMA, arXiv

作者：Matt Williams

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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