正在阅读: 黑洞吸积盘边缘的小小原子,解决了大问题
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

黑洞吸积盘边缘的小小原子,解决了大问题

来源:光明网2019-09-23 10:38

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  9月5日,来自中国极地研究中心、中国科技大学和中科院国家天文台等研究机构的研究人员组成的联合团队在《自然》杂志发表了一项新发现:他们在类星体中心黑洞的吸积盘边缘发现了一些氢氦气体原子。它们红移的吸收光谱显示,这些质量数十倍于太阳的“冷”气体正以相当于自由落体的速度坠入吸积盘。这些小小原子的发现,为锚定黑洞吸积模型的最后一块拼图提供了确凿的观测证据。

黑洞吸积盘边缘的小小原子,解决了大问题

  图示为艺术家想象中的 ULAS J1120+0641,迄今发现距地球最为遥远的类星体 图片作者:ESO/M. Kornmesser 图片来源:https://www.eso.org/public/images/eso1122a/ 该图版权由CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)获得

  上世纪50~60年代,天文学家发现了一些奇特的天体——类星体。它们在望远镜中只是一个光点,看上去和恒星类似,但光谱测量表明它们有很大的红移,而且光度惊人,暗示着它们具有巨大的能量。这些能量的来源在当时难以解释,直到70 年代学术界才认识到类星体并不是“星星”,而是中心活跃着大质量黑洞的活动星系核。正是中心黑洞吞噬物质的过程为它们提供了能量:被吞噬的物质在落入黑洞的过程中引力势能转化为巨大的动能,被加速到接近光速,同时被气化、电离为等离子体,形成一个围绕黑洞的吸积盘,放射出强烈的光学、紫外和X 射线。

  这个过程中,有大约 4%到 42%的物质以极高的转换效率转化为能量,释放出难以想象的巨大能量。余下的部分物质抵达黑洞视界,最后被黑洞吞噬。这个被称为 “黑洞吸积”的模型成功解释了类星体观测中的很多现象,逐渐被接受为类星体的标准模型。

  黑洞吸积模型的“最后一块拼图”

  不过这个标准模型并不完整,还缺少一个重要“部件”。天文学家相信,应该有大量物质被吸向黑洞,为吸积盘补充燃料,但是这些直接落向吸积盘的物质—— “内流”,却从未被观测到。

黑洞吸积盘边缘的小小原子,解决了大问题

  艺术家对类星体黑洞吸积模型的演绎:黑洞犹如一条饥饿的巨龙,不断吞噬气息所及的所有物质。图片作者:中国科技大学崔劼

  对这个区域进行直接观测存在很大的困难。“类星体距离我们十分遥远,观测上看起来就是一个点源,无法直接分辨出各个成分。”论文的第一作者、中国极地研究中心和中国科技大学的周宏岩教授解释说。“传统的方法观测到的发射线是类星体核区各个方向的所有气体发射贡献的总和,难以判断气体的运动情况。”他补充道。

  所以我们很难从这些物质发射的信号判断它们到底是不是在落向吸积盘,以及是如何落向吸积盘的,也就很难直接观测到物质由外向内流向吸积盘的过程。

  暴露身份的“指纹”

  联合团队转变了思路,转而分析类星体的吸收光谱,试图寻找还没有被电离的气体原子产生的吸收谱线。找到这些特征吸收谱线,就可能还原吸积盘外部运动的物质的轨迹。

  “以前大家没有意识到在离黑洞那么近的地方会有这么‘冷’,居然还会有原子形态的气体(原子氢和氦)。”论文合作者之一、国家天文台袁为民研究员解释说。“一般认为那里的氢和氦已经被电离了,是等离子体,所以没有关注它们的特征谱线。”然而研究团队的计算表明,在那里应该仍有部分氢氦气体保留着原子形态。吸积盘明亮的高能辐射穿透这些气体向地球方向传播的时候,能量可以被这些原子的电子吸收,在光谱中留下以固定间隔规律分布的一系列吸收线,从而为追溯气体流向提供示踪标记。这些被吸积的气体暴露的“指纹”有一定几率可以被观测到。

  研究团队在几年前就开始通过分析大样本类星体光谱寻找这些吸收线的踪迹。在搜寻了超过10万条光谱后,果然发现其中8个类星体的光谱存在着纯粹红移的氢氦宽吸收线,终于首次获得了直接流向黑洞吸积盘气体的确凿观测证据。

  “这些吸收谱线红移到了更长的波长,说明留下这些谱线的气体正在朝向黑洞的中心高速移动,这将它们与没有落入黑洞势力范围的星际物质区别开来。”周宏岩说。“这些吸收谱线的红移体现的是氢氦原子落向黑洞中心的径向速度,而不是环绕黑洞运动的线速度。”袁为民强调道。

  红移在每秒0公里直至5,000公里的速度范围内一直存在,唯一的解释是这些氢氦气体在以接近自由落体的速度向黑洞运动。通过理论计算并与测量到的吸收线性质相比较,可以确定这些气体位于吸积盘边界之外不远的区域。由于具有接近自由落体的向心运动速度,加上黑洞的强大引力,这些气体别无选择,只能流向黑洞和吸积盘。

  这是首次从观测上寻找到为黑洞吸积盘补充吸积燃料的物质,从而为整个类星体的黑洞吸积模型找到了最后一块拼图。

  未解之谜

  不过,黑洞吸积的“终极问题”仍然没有解决。

  之前科学家就已经发现,类星体的辐射强度等指标随时间发生着变化,可能和黑洞吸积盘的物质供应变化有关。据此推断,类星体的能源供应是不可持续的——它们所“寄生”的星系里,落入中心黑洞引力范围内的物质被吞噬殆尽之后,吸积可能就停止了,星系进入静默休眠的状态。

  比如银河系中心的黑洞就是静默的。据此科学家推测可能所有的星系中心都存在黑洞,也都经历了吸积的激烈过程,只是在一段时间之后,有的星系中心黑洞的吸积停止了,进入相对稳定的状态。在某些情况下,星系中心蛰伏的黑洞可能会被重新激活,吸积的过程重新开始,吸积盘重新被“点亮”,从而形成一个活动的星系核。但是具体在哪些情形下星系中心的黑洞会被重新唤醒呢?科学家仍然在寻找答案。

  “在静默的星系里,黑洞周围的物质和黑洞的关系达到一种微妙的平衡。在离黑洞一定距离内绕着它运动的物质本身具有角动量,因而可以抗衡黑洞的引力,不会掉入黑洞的魔掌。但当它失去足够角动量的时候,它的命运就改变了。但是在什么情况下这些物质会失去足够的角动量,这个‘边界条件’我们还不清楚。”袁为民说。“所以这个发现并不意味着问题的彻底解决;它仅仅是打开了一个新的窗口,使得天文学家可以进一步研究星系中心黑洞是如何开始触发活动、如何增长和演化的。”

  作者:宋健兰,中国科学院院刊英文版(Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, BCAS) 副编审,从事科学传播工作多年。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 济滨高铁进入全线铺轨作业阶段

  • 浙江武义:春茶全面开采

独家策划

推荐阅读
“龙虾”智能体通过整合调用通信软件和大语言模型,在用户本地电脑自主执行文件管理、邮件收发、数据处理等复杂任务。”魏亮说,有关方面也会持续做好安全监测,如发现相关安全风险将及时预警,为用户安全使用提供必要的技术支持。
2026-03-11 09:36
作为人类的“第二大脑”,AI for Science正在全球范围内引发科研范式的深刻变革,也成为全国两会期间代表委员关注的话题。3月7日,在全国政协十四届四次会议第二次全体会议上,全国政协委员、中国科学院院士周志华发言建议,以人工智能引领科研范式变革。
2026-03-11 09:36
全国政协委员、中国科学院院士、南京大学副校长周志华在接受光明网记者采访。
2026-03-11 07:00
以医工交叉+成果转化为抓手,凭借硬核科创成果精准攻坚,同时高标准建设国家药监局监管科学创新基地,为产业发展提供标准与工具支撑。
2026-03-11 09:33
作者:余有成 张立华 吴 飞(分别系中国人工智能学会副秘书长;复旦大学智能机器人研究院常务副院长、特聘教授;我国的独特优势,在于探索出一条“软件定义算力、算法驱动效能、人工智能+赋能场景”的创新路径。
2026-03-11 09:32
具体而言,在种植与流通环节,中药农业面临良种普及率不高、生产种植分散、标准化程度偏低等现实问题。可制定国家统筹的野生资源抚育与替代技术攻关清单,利用大数据监测价格与供给波动,增强产业链供应链韧性。
2026-03-11 09:31
光明日报北京3月10日电 记者张晓华从中国航天科技集团获悉,目前中国探月工程四期正稳步推进,2026年将研制发射嫦娥七号探测器,首次奔赴月球南极,寻找水冰存在的证据。中国航天科技集团五院研究员孙泽洲表示,在行星探测方面,未来我国还将发射天问三号和天问四号。
2026-03-11 09:30
当前全球人工智能竞争日趋白热化,大模型手机助手成为智能终端领域的核心竞逐赛道。建议以技术协同创新为核心、以产学研深度融合为支撑、以包容审慎监管为保障,筑牢自身核心优势,抢抓大模型手机助手产业窗口期。
2026-03-10 09:57
近日,由蓝箭航天研制的220吨级液氧甲烷全流量补燃循环发动机“蓝焱”完成整机全系统长程试车,标志着我国在大推力高性能液体火箭发动机领域持续取得突破性进展。
2026-03-10 09:30
从空天地一体化网络到通信、感知与人工智能深度融合,6G被视为重塑全球数字信息基础设施格局的重要技术底座。
2026-03-10 09:29
我国目前农业科技进步贡献率已经超过64%,农作物良种覆盖率超过96%,农作物耕种收综合机械化率达到76.7%,“农业现代化建设迈上了一个新台阶”。
2026-03-10 09:27
全国两会期间,“养龙虾”的话题登上热搜。全国人大代表、中国工程院院士高文说:“现在大家急得不得了,生怕没有养上‘龙虾’。”
2026-03-10 09:26
从实验室的“青苹果”到产业端的“金苹果”,距离有多远?2026年全国两会期间,两位代表分享了他们的探索实践。
2026-03-09 09:46
加快科技自立自强,既是破解产业升级瓶颈的重要支撑,也是抢占未来产业新赛道、培育新质生产力的关键依托。
2026-03-09 09:45
在全国两会会场,记者见到了贵州省六盘水市水城区农业农村局农业综合开发中心主任杨恩兰代表,聊起了她来京前的“田间故事”。
2026-03-09 09:44
杨建成委员介绍,经过几十年发展,我国布局建造了一批重大科技基础设施。
2026-03-09 09:43
中国工程院院士,第十四届全国人大常委会委员、农业与农村委员会副主任委员唐华俊代表:为此,建议推动在农业法、乡村振兴促进法等相关法律法规中增设专章专节部署农业资源区划工作。
2026-03-09 09:27
粮食安全,是“国之大者”。3月5日提请十四届全国人大四次会议审查的“十五五”规划纲要草案提出“十五五”时期主要目标和重大任务,明确粮食综合生产能力达到1.45万亿斤左右。
2026-03-06 09:35
我国科技成果大量涌现,人形机器人大放异彩,开源大模型领跑全球,芯片攻关取得新突破,创新药迅猛发展。
2026-03-06 09:31
生态环境法典草案规定,国家根据需要在长江、黄河、青藏高原等重要流域、区域建立协调机制,统筹指导、综合协调长江、黄河、青藏高原等重要流域、区域的生态环境保护等工作。
2026-03-06 09:29
加载更多