我国科学家在黑洞研究领域取得重要进展

北京时间2019年9月5日,国际权威学术期刊《自然》杂志在线发表了中国极地研究中心、中国科学院国家天文台和中国科学技术大学联合国内外多家科研单位和高校共同完成的一项黑洞研究重要成果,论文题为《供给类星体超大质量黑洞吸积盘燃料的核区快速内流》。

类星体是宇宙中最明亮的天体之一,是遥远星系中的剧烈发光现象。天文学家认为几乎所有星系中心都存在超大质量黑洞,星系中的气体(称为星际物质)下落到黑洞1000个引力半径左右(约1光年)时,由于黑洞的强大引力和高速转动会形成盘状气体流(称为吸积盘),在吸积盘中释放万亿倍太阳亮度的引力能,发光远远超过整个星系。星际物质作为黑洞吸积盘发光的燃料,整个输运过程要跨域巨大的空间范围。天文学家已经观测到气体从星系大尺度空间(半径约10,000—100,000光年)流入星系核区(半径约10—100光年)的证据,但一直未建立有效手段直接探测由星系核区流入吸积盘的气体,导致黑洞吸积理论长期缺失最为关键的观测证据。项目团队率先提出利用宇宙中最为丰富的氢和氦元素的光谱吸收线特征来示踪供给吸积盘的气体流,并成功在一批类星体的光谱中观测到最高多普勒红移速度达5000公里每秒的宽吸收线特征。吸收线发生红移表明气体正背向观测者运动流入星系核区,吸收线的宽度即红移速度从0到5000公里每秒连续变化显示了气体受黑洞引力作用持续加速下落的过程,最高红移速度5000公里每秒则对应着吸积盘外边界处黑洞引力的自由落体速度,从运动学直接证实气体确实达到了吸积盘。另外,利用更多元素的吸收线特征联合解算光致电离模型得到的气体位置、密度、厚度和电离度等物理参数均符合模型预期,满足吸积盘发光所需燃料供给要求。

星系原图

本工作在国际上首次成功观测到类星体核区为超大质量黑洞吸积盘提供吸积燃料的快速内流气体,完成了黑洞吸积物理图像的最后一块拼图,在黑洞吸积物理、活动星系、及黑洞和星系共同演化等研究领域具有重要科学价值。

论文作者之一、中国极地研究中心国家海洋局极地科学重点实验室南极天文学团队姜鹏副研究员介绍说,“星系核区超大质量黑洞通过吸积气体增长并在吸积盘释放大量引力能剧烈发光,形成宇宙中最为明亮的持续发光天体——类星体。类星体是20世纪集中于60年代的天文学四大发现之一,黑洞吸积和引力能释放作为其发光能源的理论在发现之初即被提出。但是遥远星系中黑洞吸积盘的视尺度实在太小,无法空间分辨,天文学家一直也没有观测到从星系核区流入吸积盘的气体,这是黑洞吸积理论的一个长期悬而未决的问题。我们团队在类星体研究,特别是在超大质量黑洞吸积与外流的研究上有长期积累。约十年前,开始系统发展以氢元素和氦元素的吸收线特征来探测类星体核区和寄主星系中的气体。因为氢和氦是宇宙中最为丰富的元素,它们对气体的示踪非常有效而且可用来诊断气体的物理状态。本项研究中,我们利用氢和氦元素的宽吸收线光谱特征,认证气体内流运动速度与黑洞引力自由落体速度相当的类星体,首先从运动学上确定这些内流气体到达吸积盘外边界,再利用光致电离模型进一步推算内流气体的物理性质,检验气体的供给和消耗平衡。搜寻超过10万条类星体光谱,最终成功在8个纯粹红移的氢和氦宽吸收线类星体中观测到直接供给吸积盘的内流气体。受类星体核区其它结构的遮挡,虽然我们认为这样的内流气体是普遍的,但是实际适合观测的目标比例较低,特别在光学波段的探测难度大,下一步我们也计划在更长波段观测,这样能减少遮挡效应。《自然》杂志审稿人肯定我们的这项工作是第一次明确探测到供给吸积盘的内流气体,并认为该成果在整个类星体研究领域,以及面向公众的知识传播方面都有重要价值。暗物质、暗能量、黑洞、宇宙起源、天体起源和生命起源,是天文学和物理学研究的重大基础性科学问题,合称’两暗一黑三起源’。当前国内外重要的天文研究项目都是针对这类基本问题,我国规划建设的中国南极昆仑站天文台具有优越而独特的天文观测条件能助力科学家在’两暗一黑三起源’研究上取得突破性进展。”。

中国极地研究中心研究员、中国科学技术大学教授周宏岩为文章第一作者和通讯作者,中国科学院国家天文台袁为民研究员和中国科学技术大学王挺贵教授为共同通讯作者,课题成员还来自中国科学院上海天文台、美国佛罗里达大学、中国科学院云南天文台和安徽师范大学等多家国内外科研单位和高校。该研究得到了自然资源部、中国科学院和国家自然科学基金委等的支持。

吸积盘原图(显示了观测类星体SDSS J103516.20+142200.6中核区内流的视线示意图)