當(dāng)前位置： 當(dāng)前位置：首頁 > 焦點(diǎn) > 對超大質(zhì)量黑洞吸積盤外圍的首次觀測正文

藝術(shù)家對超大質(zhì)量黑洞的印象，有一個(gè)吸積盤圍繞它旋轉(zhuǎn)。量黑注釋顯示了一個(gè)假設(shè)的積盤雙峰輪廓，用箭頭指示每個(gè)峰在寬線區(qū)域中的外圍起始位置。鳴謝:NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld
（神秘的次觀測地球uux.cn）據(jù)美國國家科學(xué)基金會的NOIRLab（喬西·芬斯克）：沒有什么能喚起一種存在主義的螺旋視角，就像看著一個(gè)星系的對超大質(zhì)洞吸的首圖像一樣。乍一看，量黑這些宏偉的積盤建筑似乎相當(dāng)寧靜。但事實(shí)上，外圍許多星系的次觀測中心是一個(gè)動蕩的環(huán)境，其中包含一個(gè)活躍的對超大質(zhì)洞吸的首超大質(zhì)量黑洞。
圍繞這些密度不可思議的量黑物體旋轉(zhuǎn)的是由氣體和塵埃組成的旋渦吸積盤，它們?yōu)楹诙刺峁┝宋镔|(zhì)，積盤并在整個(gè)電磁波譜中釋放出大量的外圍能量——從高能伽馬射線和X射線，到可見光，次觀測再到紅外和無線電波。
研究吸積盤可以增強(qiáng)天文學(xué)家對黑洞及其宿主星系演化的了解。然而，大多數(shù)吸積盤都不可能直接成像，因?yàn)樗鼈兙嚯x極遠(yuǎn)，而且尺寸相對較小。取而代之的是，天文學(xué)家使用圓盤內(nèi)部發(fā)出的光譜來描述它的大小和行為。
通過這種方法，天文學(xué)家利用由國家科學(xué)基金會NOIRLab運(yùn)營的國際雙子座天文臺的一半雙子座北方望遠(yuǎn)鏡，首次在星系III Zw 002的吸積盤中探測到兩條近紅外發(fā)射線，為這些宏偉結(jié)構(gòu)的大小設(shè)定了新的限制。
為了理解這些觀察結(jié)果，讓我們首先通過討論什么是發(fā)射譜線以及它們告訴我們關(guān)于超大質(zhì)量黑洞周圍區(qū)域的什么來奠定一些基礎(chǔ)。
當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的原子下降到較低的能級時(shí)，就會產(chǎn)生發(fā)射譜線，并在這個(gè)過程中釋放出光。由于每個(gè)原子都有一套獨(dú)特的能級，發(fā)出的光有一個(gè)離散的波長，就像識別其來源的指紋。發(fā)射譜線通常在光譜中表現(xiàn)為細(xì)而尖的尖峰。
但是在吸積盤的旋渦中，受激氣體受到超大質(zhì)量黑洞的引力影響，并以每秒數(shù)千公里的速度移動，發(fā)射線變寬成為較淺的峰值。這些線起源的吸積盤區(qū)域稱為寬線區(qū)域。
如前所述，吸積盤非常難以直接成像，由于視界望遠(yuǎn)鏡的高角度分辨率能力，只有兩個(gè)來源被成像。那么，如果不能進(jìn)入全球射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，天文學(xué)家如何知道超大質(zhì)量黑洞周圍有一個(gè)圓盤呢？事實(shí)證明，吸積盤的證據(jù)可以在一種被稱為雙峰輪廓的寬發(fā)射線的特定模式中找到。
因?yàn)閳A盤在旋轉(zhuǎn)，一邊的氣體在遠(yuǎn)離觀測者，而另一邊的氣體在向觀測者移動。這些相對運(yùn)動分別將發(fā)射譜線拉伸和擠壓到更長和更短的波長。結(jié)果是一條加寬的線，有兩個(gè)不同的峰，分別來自快速旋轉(zhuǎn)的圓盤的兩邊。
這些雙峰輪廓是一種罕見的現(xiàn)象，因?yàn)樗鼈兊某霈F(xiàn)僅限于幾乎可以正面觀察到的源。在已經(jīng)觀察到的少數(shù)光源中，雙峰出現(xiàn)在H-α和H-β線中，這是氫原子在可見光波長范圍內(nèi)的兩條發(fā)射線。
這些線源自超大質(zhì)量黑洞附近的寬線區(qū)域的內(nèi)部區(qū)域，沒有提供吸積盤整體有多大的證據(jù)。但是最近的近紅外觀測揭示了一個(gè)以前從未見過的外部寬線區(qū)域。
Denimara Dias dos Santos是巴西國家空間研究所的博士生，也是該論文的主要作者，他與巴西國家天文實(shí)驗(yàn)室的研究人員阿爾伯托·羅德里格斯-阿迪拉、斯瓦亞姆特魯普塔·潘達(dá)和穆里洛·馬里內(nèi)洛合作，首次明確探測到了III Zw 002寬線區(qū)域的兩個(gè)近紅外雙峰剖面。
Paschen-alpha(氫)線發(fā)源于寬線區(qū)的內(nèi)區(qū)，O I(中性氧)線發(fā)源于寬線區(qū)的外圍，這是一個(gè)以前從未觀測到的區(qū)域。這些是在近紅外波段發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)雙峰輪廓，它們是在雙子座近紅外光譜儀(GNIRS)的觀測中意外出現(xiàn)的。
2003年對III Zw 002的觀測揭示了吸積盤的證據(jù)，2012年的一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。2021年，Rodriguez-Ardila和他的團(tuán)隊(duì)開始使用GNIRS在近紅外進(jìn)行觀測，以補(bǔ)充這些發(fā)現(xiàn)，GNIRS能夠一次性觀測整個(gè)近紅外光譜(800-2500納米)。
其他儀器需要用戶在多個(gè)濾波器之間切換以覆蓋相同的范圍，這可能很耗時(shí)，并且可能會隨著大氣條件和校準(zhǔn)在觀測之間的變化而引入不確定性。
由于GNIRS能夠同時(shí)觀測多個(gè)波段的光，因此該團(tuán)隊(duì)能夠捕捉到單一清晰、一致校準(zhǔn)的光譜，其中顯示了多個(gè)雙峰輪廓。“我們以前不知道III Zw 002有這種雙峰分布，但當(dāng)我們減少數(shù)據(jù)時(shí)，我們非常清楚地看到了雙峰，”羅德里格斯-阿迪拉說。“事實(shí)上，我們多次減少數(shù)據(jù)，認(rèn)為這可能是一個(gè)錯(cuò)誤，但每次我們都看到同樣令人興奮的結(jié)果。”
這些觀測不僅證實(shí)了理論上吸積盤的存在，而且推進(jìn)了天文學(xué)家對寬線區(qū)域的理解。
Rodriguez-Ardila說:“這是第一次，對這種雙峰輪廓的檢測對一個(gè)區(qū)域的幾何形狀進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，否則不可能解決這個(gè)問題。”“我們現(xiàn)在有了一個(gè)活躍星系的進(jìn)食過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的明確證據(jù)。”
通過將這些觀察結(jié)果與現(xiàn)有的圓盤模型進(jìn)行比較，該團(tuán)隊(duì)能夠提取參數(shù)，為III Zw 002的超大質(zhì)量黑洞和寬線區(qū)域提供更清晰的圖像。
該模型表明，Paschen-alpha線起源于16.77光天的半徑(從超大質(zhì)量黑洞測量的光在一個(gè)地球日內(nèi)傳播的距離)，O I線起源于18.86光天的半徑。它還預(yù)測寬線區(qū)域的外半徑為52.43光年。該模型還表明，III Zw 002的寬線區(qū)域相對于地球上的觀測者具有18度的傾角，其中心的超大質(zhì)量黑洞是我們太陽質(zhì)量的4億至9億倍。
“這一發(fā)現(xiàn)讓我們對這個(gè)特殊星系中寬線區(qū)域的結(jié)構(gòu)和行為有了寶貴的見解，揭示了活躍星系中超大質(zhì)量黑洞周圍發(fā)生的迷人現(xiàn)象，”羅德里格斯-阿迪拉說。
在這一發(fā)現(xiàn)之后，Dias dos Santos、Rodriguez-Ardila、Panda和Marinello現(xiàn)在正在監(jiān)測III Zw 002，因?yàn)槠湮e盤預(yù)計(jì)將遵循圍繞超大質(zhì)量黑洞的進(jìn)動模式。他們想看看譜線輪廓是如何隨時(shí)間變化的，因?yàn)檫M(jìn)動會導(dǎo)致藍(lán)色和紅色峰值的強(qiáng)度不同。到目前為止，這個(gè)模型仍然與他們的觀察一致。這些結(jié)果也開啟了利用近紅外探測來研究其他活動星系核的可能性。
這項(xiàng)工作發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》上。