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

  • 酷暑催热“清凉经济”

  • 多措并举 应对高温

独家策划

推荐阅读
从27岁到60岁,33载深蓝搏击,马远良实现了中国航空声呐从无到有、从追赶到并跑乃至局部领先的壮举。
2025-07-14 08:49
何熙昱锦也表示,脑机接口技术涉及芯片、传感器、算法、应用等多个环节,需要上下游企业形成更紧密的合作关系。
2025-07-14 08:45
在论坛签约仪式上,中国、哈萨克斯坦、巴基斯坦、埃及等国家共签署12个数字经济合作项目,涉及跨境电商、智慧城市等领域。
2025-07-14 08:45
天然铀是重要的战略资源和能源矿产,铀资源勘查采冶位于核燃料循环体系的前端,是核工业发展的重要物质基础。
2025-07-14 08:42
这条从技术突破、场景深耕到生态协同的融合路径,正强劲驱动中国人工智能产业迈向高质量跃升。
2025-07-14 08:41
据国家统计局最新发布的数据,2025年全国夏粮总产量达到14973.8万吨,单位面积产量与去年基本持平,总体实现了夏粮生产的平稳运行。这一成绩的取得,
2025-07-14 04:15
从蓝莓大棚里的生长曲线,到肉牛项圈里的健康密码,广西的特色农业正被人工智能重新定义。
2025-07-14 04:25
7月13日,随着和田—民丰—且末—若羌750千伏输变电工程最后一相导线跨越和若铁路、国道315,稳稳抵达188号铁塔,历经15年建设的新疆环塔里木盆地750千伏输变电工程(以下简称“环塔工程”)全线贯通,进入投运倒计时。
2025-07-14 04:25
防晒,究竟该如何掌握分寸,才能在抵御伤害与拥抱健康之间找到平衡点?
2025-07-11 09:58
生命只有一次,心脏健康不容忽视。唯有提高对心梗症状的警觉性,掌握正确的急救方法,才能为生命筑起一道坚实的“心”防线。
2025-07-11 09:58
晒后背是一种传统的养生方法,符合中医“冬病夏治”的理论,其核心在于借助盛夏充沛的自然阳气,通过阳光照射背部,来提升人体自身阳气。
2025-07-11 09:58
截至7月10日,我国“北气南下”能源大通道累计输气量突破1000亿立方米,安全平稳运行超2000天,标志着这条纵贯南北的能源大动脉在保障国家能源安全、推动绿色转型方面取得重大进展。
2025-07-11 04:55
从自然资源部新一轮找矿突破战略行动办公室了解到,今年上半年,全国新发现矿产地38处,同比增长31%;新发现矿产地中,大中型矿产地25处。
2025-07-11 04:10
时下,智能手机已成为人们获取信息、社交娱乐的重要工具。多学科专家指出,当我们刷手机出现注意力极度涣散、缺乏独立思考能力、情绪化反应严重、深度学习能力下降、空虚感增加等症状时,就表明我们的大脑正在被“腐蚀”。所谓的“脑腐”,即因长期暴露于碎片化信息而引发的认知衰退与脑功能损伤。
2025-07-11 04:10
由于肉眼很难发现水污染的情况,洪水之后饮水需要特别注意,避免直接饮用自来水、山泉水、河水、湖水等。肖丹提醒,如果不适症状较为严重,出现持续高热、剧烈呕吐、严重腹泻、脱水、意识障碍等,或皮肤干燥、眼窝凹陷、少尿等情况,应及时就医。
2025-07-10 09:34
国家自然科学基金委员会近日发布消息,自然科学基金委制定重大非共识项目试点实施方案,将在2025年启动资助试点。自然科学基金委作为我国资助基础研究的主渠道,制定了一系列创新举措。
2025-07-10 09:33
嫦娥六号月球样品的相关研究成果,引起了国际学术界的高度关注。这1935.3克宝贵的月壤,使得月球样品研究进入“嫦娥时代”,开启了人类认识月球的新纪元,也为中国月球研究走向世界前列奠定了基础。 一年来,中国科学家们已经利用嫦娥六号月球样品取得许多科学突破。
2025-07-10 09:32
2024年嫦娥六号任务首次从南极-艾特肯盆地内部采回月球样品,为揭示该区域物质成因提供了直接证据。综合元素和矿物组成分析,南极-艾特肯盆地镁环物质主要为斜长石(63%~67%)和低钙辉石(25%~27%)组成的亚铁苏长岩。
2025-07-10 09:32
7月9日,在北京航天城,神舟十九号航天员蔡旭哲(中)、宋令东(右)、王浩泽在记者见面会上敬礼致意。 在神舟十九号乘组中,航天员王浩泽也是一位90后,更成为首位进驻空间站的女航天飞行工程师。
2025-07-10 09:30
随着科技创新与产业创新深度融合,人工智能技术助力建材行业向更智能、更绿色、更高端方向变革。“通过数字化转型,建材企业可基本实现研发设计数字化、生产运营一体化、客户服务敏捷化,提升决策效率、协同能力和服务水平,快速提升生产力和核心竞争力。
2025-07-09 09:40
加载更多