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    我國科學家在黑洞研究領域取得重要進展

    發布時間:2019-09-05 17:14:52  |  來源:消費日報網  |  作者:   |  責任編輯:科學頻道

    北京時間2019年9月5日,國際權威學術期刊《自然》雜志在線發表了中國極地研究中心、中國科學院國家天文臺和中國科學技術大學聯合國內外多家科研單位和高校共同完成的一項黑洞研究重要成果,論文題為《供給類星體超大質量黑洞吸積盤燃料的核區快速內流》。

    類星體是宇宙中最明亮的天體之一,是遙遠星系中的劇烈發光現象。天文學家認為幾乎所有星系中心都存在超大質量黑洞,星系中的氣體(稱為星際物質)下落到黑洞1000個引力半徑左右(約1光年)時,由于黑洞的強大引力和高速轉動會形成盤狀氣體流(稱為吸積盤),在吸積盤中釋放萬億倍太陽亮度的引力能,發光遠遠超過整個星系。星際物質作為黑洞吸積盤發光的燃料,整個輸運過程要跨域巨大的空間范圍。天文學家已經觀測到氣體從星系大尺度空間(半徑約10,000—100,000光年)流入星系核區(半徑約10—100光年)的證據,但一直未建立有效手段直接探測由星系核區流入吸積盤的氣體,導致黑洞吸積理論長期缺失最為關鍵的觀測證據。項目團隊率先提出利用宇宙中最為豐富的氫和氦元素的光譜吸收線特征來示蹤供給吸積盤的氣體流,并成功在一批類星體的光譜中觀測到最高多普勒紅移速度達5000公里每秒的寬吸收線特征。吸收線發生紅移表明氣體正背向觀測者運動流入星系核區,吸收線的寬度即紅移速度從0到5000公里每秒連續變化顯示了氣體受黑洞引力作用持續加速下落的過程,最高紅移速度5000公里每秒則對應著吸積盤外邊界處黑洞引力的自由落體速度,從運動學直接證實氣體確實達到了吸積盤。另外,利用更多元素的吸收線特征聯合解算光致電離模型得到的氣體位置、密度、厚度和電離度等物理參數均符合模型預期,滿足吸積盤發光所需燃料供給要求。

    星系原圖

    本工作在國際上首次成功觀測到類星體核區為超大質量黑洞吸積盤提供吸積燃料的快速內流氣體,完成了黑洞吸積物理圖像的最后一塊拼圖,在黑洞吸積物理、活動星系、及黑洞和星系共同演化等研究領域具有重要科學價值。

    論文作者之一、中國極地研究中心國家海洋局極地科學重點實驗室南極天文學團隊姜鵬副研究員介紹說,“星系核區超大質量黑洞通過吸積氣體增長并在吸積盤釋放大量引力能劇烈發光,形成宇宙中最為明亮的持續發光天體——類星體。類星體是20世紀集中于60年代的天文學四大發現之一,黑洞吸積和引力能釋放作為其發光能源的理論在發現之初即被提出。但是遙遠星系中黑洞吸積盤的視尺度實在太小,無法空間分辨,天文學家一直也沒有觀測到從星系核區流入吸積盤的氣體,這是黑洞吸積理論的一個長期懸而未決的問題。我們團隊在類星體研究,特別是在超大質量黑洞吸積與外流的研究上有長期積累。約十年前,開始系統發展以氫元素和氦元素的吸收線特征來探測類星體核區和寄主星系中的氣體。因為氫和氦是宇宙中最為豐富的元素,它們對氣體的示蹤非常有效而且可用來診斷氣體的物理狀態。本項研究中,我們利用氫和氦元素的寬吸收線光譜特征,認證氣體內流運動速度與黑洞引力自由落體速度相當的類星體,首先從運動學上確定這些內流氣體到達吸積盤外邊界,再利用光致電離模型進一步推算內流氣體的物理性質,檢驗氣體的供給和消耗平衡。搜尋超過10萬條類星體光譜,最終成功在8個純粹紅移的氫和氦寬吸收線類星體中觀測到直接供給吸積盤的內流氣體。受類星體核區其它結構的遮擋,雖然我們認為這樣的內流氣體是普遍的,但是實際適合觀測的目標比例較低,特別在光學波段的探測難度大,下一步我們也計劃在更長波段觀測,這樣能減少遮擋效應?!蹲匀弧冯s志審稿人肯定我們的這項工作是第一次明確探測到供給吸積盤的內流氣體,并認為該成果在整個類星體研究領域,以及面向公眾的知識傳播方面都有重要價值。暗物質、暗能量、黑洞、宇宙起源、天體起源和生命起源,是天文學和物理學研究的重大基礎性科學問題,合稱’兩暗一黑三起源’。當前國內外重要的天文研究項目都是針對這類基本問題,我國規劃建設的中國南極昆侖站天文臺具有優越而獨特的天文觀測條件能助力科學家在’兩暗一黑三起源’研究上取得突破性進展?!?。

    中國極地研究中心研究員、中國科學技術大學教授周宏巖為文章第一作者和通訊作者,中國科學院國家天文臺袁為民研究員和中國科學技術大學王挺貴教授為共同通訊作者,課題成員還來自中國科學院上海天文臺、美國佛羅里達大學、中國科學院云南天文臺和安徽師范大學等多家國內外科研單位和高校。該研究得到了自然資源部、中國科學院和國家自然科學基金委等的支持。

    吸積盤原圖(顯示了觀測類星體SDSS J103516.20+142200.6中核區內流的視線示意圖)

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