超大質量黑洞看起來像什麼？

北京時間3月5日消息，據國外媒體報道，所有大型星系中心都存在著超大質量黑洞，這些黑洞都在積極吸積物質，因此被稱為「活躍星系核（AGN）」。當物質落入黑洞，將形成一個釋放明亮光線的盤狀結構，甚至能夠產生巨大噴發和噴射流。與一個直徑數十萬光年的星系相比，超大質量黑洞周圍的吸積盤和灰塵結構將顯得非常小，大約僅有數十光年的寬度。但是近期兩項研究最終讓我們對超大質量黑洞的增長和進化產生更深入的認識。

旋轉的「甜甜圈」

天文學家使用活躍星系核「統一模型」來描述攝食黑洞周圍的結構，人們認為，這種結構和它的方向影響我們所觀測到的，這就是為什麼並非所有活躍星系核看上去都相同。該結構的一部分是充滿灰塵、甜甜圈狀的物質環——環繞黑洞的氣體和灰塵，依據其所在方向，從觀測角度遮擋部分或者全部結構。

目前，天文學家基於阿塔卡瑪大型毫米波天線陣望遠鏡（ALMA）觀測的高解析度圖像，首次在超大質量黑洞周圍發現一個旋轉的灰塵環。他們的觀測目標是螺旋星系M77中心，它距離地球4700萬光年，位於鯨魚星座，他們通過ALMA望遠鏡，能夠識別發現星系中心環繞黑洞的氣體灰塵結合著氫氰酸分子（HCN）和甲醯基分子（HCO+）噴射物，對準一個密集環繞中心黑洞的「甜甜圈」結構。目前，這項最新研究報告發表在近期出版的《天體物理學快報》上。

該項研究報告作者、日本國家天文台Masatoshi Imanishi說：「為了解釋活躍星系核的各種觀測特徵，天文學家已假設活躍超大質量黑洞周圍存在類似甜甜圈的灰塵氣體旋轉結構，然而灰塵氣體環狀結構從外觀上是非常微小的，基於ALMA望遠鏡的高解析度圖像，目前我們能夠直接觀測到該結構。」

這個甜甜圈結構位於一個700光年寬度絲狀半環物質結構之中，它自身直徑大約20光年，與龐大的M77星系相比，僅是一個非常小的太空區域。通過ALMA望遠鏡觀測分析，研究小組能夠發現甜甜圈結構中物質出現多普勒頻移（Doppler shifting），一些物質遠離地球，一些物質朝向地球，這是發生旋轉的一個明顯標誌。

這一明顯標誌也帶來額外的複雜性，甜甜圈結構能按照預期方式進行旋轉，但是它具有一定的不對稱性，其中部分結構發生旋轉並具有方向隨意性特徵。研究小組認為，這可能是一個顛覆性的跡象，例如：該星系曾與另一個較小的星系發生合併。要確定星系及其活躍星系核的歷史，仍需要進行更多的工作，當前最新研究首次觀測的旋轉環狀結構，是研究星系和超大質量黑洞的一個重要環節。

釋放能量

許多活躍星系核都沿著旋轉軸噴射物質流，關於釋放物質流的機制，以及何種物質構成噴射流，科學家對此了解甚少。但是基於這種噴射流相關磁場測量的最新模型表明，當物質流向太空噴射時，黑洞可能損失旋轉動能。

該模型是由莫斯科物理科學技術研究所基礎和宇宙相對天體應用研究實驗室天體物理學家研製的，結果表明極強噴射流的能量與黑洞自身旋轉密切相關，並向天文學家提供可測量特徵用於測試該理論觀點。這項最新研究報告發表在2017年12月22日出版的《天文學和太空科學前沿》雜誌上。

科學家認為黑洞能夠旋轉，就像恆星和行星一樣，當物質從吸積盤流入黑洞時，黑洞吸收了角動量，並且旋轉速度更快。這種效應可在年輕恆星上觀察到，它們被類似的吸積盤包圍著。但是新生恆星旋轉速度太慢，由於它們吸收一定的角動量，角動量能夠驅動恆星的噴射流，相同的進程也存在於黑洞周圍。

但為了證實這一點，天文學家需要測量黑洞失去多少旋轉能量，但這是非常困難的。同樣地，測量吸積盤物質的「磁通量」數量等級，可以評估出旋轉能量的損失，但這也是非常難以測量的。目前，這項最新模型和近期其它更先進的黑洞噴射模型提出了一個「代理」：測量噴射流磁場，然後結合在需要驅動噴射流的旋轉動能數量上。

噴射流磁場可以被測量，這是因為磁通量是守恆的，通過測量噴射流等級，我們也能探測到黑洞附近的磁通量。目前，這項研究使天文學家將磁場噴射流與黑洞旋轉損失聯繫在一起，並通過實驗來驗證我們對黑洞及其周圍環狀結構和噴射流的理解是否正確，或者我們仍需要進一步改進提高。

2017年4月視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）用了一周半的時間收集銀河系超大質量黑洞，以及橢圓星系M87中大型黑洞的相關數據，不久我們可能不僅首次拍攝到一個超大質量黑洞周圍的圓環結構，還能觀測到黑洞視界的邊緣。作為一名天體物理學家，這將是一個令人激動人心的時刻。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！