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

  • 我把节气唱给你听|大暑:热浪盈空,逆风追寻热爱

  • 黑龙江饶河:黑蜂养殖赋能产业振兴

独家策划

推荐阅读
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
黄瓜是受到全球广泛喜爱的蔬菜,它源自喜马拉雅山脉南麓,由其野生祖先驯化而来,历经2000余年的传播扩散,遍布世界。中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前评价,该研究为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑,兼具重要基础科学价值与育种应用前景。
2026-07-23 09:48
中国水稻研究所研究员王克剑团队近日在杂交水稻育种领域取得重要进展——成功研发出克隆效率稳定超过99%、结实完全正常的一系法杂交水稻,团队将其命名为“一系1号”。图为团队创制的无融合生殖株系在试验田大群体种植下表现出的克隆效率与结实率情况。
2026-07-22 09:35
今年新增农业机器人、盐碱地科学与工程、智慧渔业三大新农科专业,分别由江苏大学、山东农业大学、宁波大学首批开设,为涉农人才培养开辟了新跑道。
2026-07-22 09:31
这场举世瞩目的盛会,凝聚共识,密集发布国际合作倡议与行动计划,为促进全球人工智能朝着向上向善、造福人类的方向发展注入了更多新动能。
2026-07-22 09:29
虽然现阶段机器人能做的事还很有限,但这种“人机搭档”的新模式,让我们的生活服务向高品质、多样化和便利化发展。我想,这就是科技落地的意义吧。
2026-07-22 09:28
重离子加速器是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具,研究中产生的新知识、技术和方法被广泛应用于航天、医疗、农业等多个领域。
2026-07-22 09:26
无法驶出的化肥运输船,迟迟不散的热浪,突然生效的出口禁令……近期,一系列事件叠加,或许正给全球粮食安全带来显著不确定性。
2026-07-21 03:40
拔尖创新人才作为国家战略科技力量的核心支撑,其培育成效直接关系到高水平科技自立自强的进程。科学教育是拔尖创新人才培养的基础工程,必须把握青少年成长的关键期,构建全链条、一体化的科学教育新生态,推动教育、科技、人才深度融合,为强国建设筑牢人才根基。
2026-07-21 03:40
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革,正深刻重塑产业形态与劳动方式,职业教育作为对接产业最紧密的教育类型,面临的根本性问题已不再是如何培养标准化、重复性的熟练操作者,而是要回答人机协同时代究竟需要什么样的高技能人才。
2026-07-21 03:40
暑假已至,以中小学生为主力的研学游市场持续升温。外出研学已成为不少中小学生家庭的假期常规安排。家长往往将研学活动视作教育由家庭、学校向社会课堂的延伸,是学校教育的重要补充。
2026-07-21 03:40
毕业论文AI率检测,已成为无数大学毕业生关心的热点话题。AI工具引发的学术不端如何界定?为规避高AI率而拆解论文、打乱表达的无奈如何化解?AI检测产品缺少国家标准、质量参差不齐的困局如何突破?这些追问,热度居高不下,答案却远未清晰。
2026-07-21 03:40
未来产业是重塑全球技术竞争格局和引领全球经济变迁的重要力量,“十五五”规划纲要对“培育壮大新兴产业和未来产业”作出系统部署。
2026-07-21 03:40
当前,全球能源转型加速推进,海洋能正处在由技术探索迈向规模化应用的关键阶段。准确把握发展形势与现实基础,对于我国海洋能发展具有重要意义。
2026-07-20 10:00
如何破解制约早期科技成果转化的瓶颈?加强国家技术转移体系建设,培养一批全链条参与成果转化的技术经理人迫在眉睫。
2026-07-20 04:20
今年7月,全球人工智能治理的讨论在短短几天内完成了一次耐人寻味的“接力”。从在日内瓦举行的联合国人工智能治理全球对话、“人工智能向善”全球峰会,再到在上海举办的2026世界人工智能大会暨人工智能全球治理高级别会议,来自政府、国际组织、企业和学术界的讨论都聚焦于同一个问题:面对快速发展的人工智能,国际社会如何把已有的治理理念真正转化为国际合作行动?
2026-07-20 04:20
中国农业科学院和中国农业绿色发展研究会18日在北京发布《中国农业绿色发展报告2025》。报告显示,我国农业绿色发展水平持续向好,农业绿色发展机制创新不断拓展,理论研究与技术突破协同发力,区域农业绿色发展实践走深走实。
2026-07-20 04:20
加载更多