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

  • 贵州台江:义诊下基层 服务暖民心

  • 湖南常德:瞄准国际市场 赶制外贸订单

独家策划

推荐阅读
他们提出一种全新多物理域融合计算系统,可利用后摩尔新器件支持傅里叶变换,使算力提升近4倍,为具身智能、通信系统等领域开辟新的可能。
2026-01-15 04:05
2025年11月,中国载人航天工程启动第一次应急发射任务,并取得圆满成功。此次任务,源于神舟二十号飞船疑似遭到空间微小碎片的撞击,返回任务被迫按下紧急“暂停键”。
2026-01-15 04:55
现代人工智能是先进计算的产物,也是赋能千行百业的技术。从早期符号主义在有限算力下的踯躅前行,到神经网络思想历经沉浮,直至大数据与图形处理器(GPU)的邂逅,
2026-01-15 04:55
项目骨干成员、中国科学院大学教授郑阳恒表示,团队还将与暗物质探测实验团队合作,将此次实验结果融入下一代探测器的研发中。
2026-01-15 09:03
对于娱乐及部分消费产业而言,当前的人形机器人还不适合作为长期自有资产,更适合通过“租赁+技术服务”的方式使用。
2026-01-15 09:02
最终,他们模拟出一种外形稳定的氰化氢晶体,其外形为顶端多面、底部圆润的圆柱体,长度约450纳米,整体形状类似切割后的宝石。
2026-01-15 09:00
从中国地震局获悉,近日,在离岸80千米的三峡江苏大丰海上风电场,全国首个海底综合地震电磁监测台站建成,这标志着我国地球物理场监测台网向海域拓展取得新进展。
2026-01-15 04:05
你有没有感觉,这些年的春天来得越来越不规律了?相比过去,有的地方春来早,有的地方春迟到。这不是你的错觉,全球变暖正导演着一场波及整个北半球的“春日变奏曲”。
2026-01-14 02:55
布局未来产业,要统筹经济性与战略性,综合考虑绝对优势和比较优势,深耕细分赛道,探索各具特色的发展路径和模式。
2026-01-14 09:03
实现了育种加代方法的颠覆性创新,整体上达到国际领先水平。
2026-01-14 19:12
相关研究成果发表于《植物生物技术》,为光信号驱动的绿色农业技术创新提供了全新思路。
2026-01-14 19:12
“十四五”以来,生态环境部卫星遥感监测能力显著提升,目前已在轨运行7颗生态环境卫星,初步构建起多星联动的生态环境卫星遥感监测体系。
2026-01-14 09:03
作为钢铁生产核心工序,高炉占生产总成本的70%左右,其长期稳定运行直接关系企业盈利状况。经过攻关,宝钢股份高炉AI大模型对炉温等关键指标的预测准确率达90%,实现对内部状态的高精度、高时效性感知。
2026-01-14 09:02
1月13日23时25分,我国在海南商业航天发射场使用长征八号甲运载火箭,成功将卫星互联网低轨18组卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2026-01-14 09:01
扎实推进农机购置与应用补贴“优机优补”“有进有出”,支持创新机具有序列补,加大补贴力度,推动过时落后机具加快退出。
2026-01-14 09:02
作为全国首个商业航天共性试验和科研生产基地,“北京火箭大街”项目由亦庄控股旗下城市更新公司投资、开发、运营管理
2026-01-13 17:38
力鸿一号遥一飞行器12日在酒泉卫星发射中心圆满完成亚轨道飞行试验任务,返回式载荷舱顺利着陆完成回收。本次飞行试验圆满完成返回式载荷舱的再入大气层返回减速与回收验证,
2026-01-13 03:35
从耳畔低语的智能伴侣,到街头无声行驶的自动驾驶车辆,科技正褪去冰冷外壳,融入人们日常生活。谷歌计划将AI技术嵌入人们日常依赖的应用Gmail内,让其帮助总结冗长的邮件,并撰写得体的回复。
2026-01-13 09:07
南极秦岭站附近,几只黑白分明、步履蹒跚的阿德利企鹅歪着头,打量着不远处向他们热情招手的中国考察队员。今年,中国第42次南极考察队又一次如约而至,继续开展对这些极地“原住民”的监测研究。
2026-01-13 09:06
加载更多