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黑洞周围气体是冷的还是热的?天文学家有了新发现
2019/06/13 10:23  科技日报  代小佩  

  黑洞周围的气体是冷的还是热的?

  在我们的印象中,离黑洞的事件视界越近,气体的温度应该更高。但位于智利沙漠的阿塔卡马大型毫米波阵望远镜(ALMA)看到银河系中心超大质量黑洞周围出现了较冷气体,该研究结果日前发表在《自然》杂志上。

  发现温度较低的气流

  不久前,天文学家公布了首张黑洞照片。为得到这张黑洞照片,天文学家动用了遍布全球的8个毫米/亚毫米波射电望远镜,组成了一个口径一万多公里的“事件视界望远镜”(EHT),对星系M87中心的黑洞和银河系中心的黑洞人马座A*进行了连续观测和数据分析。但由于银河系中心黑洞的数据比较难处理,所以当时只公布了星系M87中心的黑洞照片。

  而这一次,ALMA看到了银河系中心的黑洞气体。银河系中心离地球大约2.6万光年,这里充满了星星、星际尘埃云,以及非常热和相对较冷的气体。科学家们认为,这些气体在黑洞周围的轨道上运行,而且这些气体距离黑洞的事件视界大约为十分之一光年。

  然而,目前天文学家只能对其中较热的、稀薄的气体流进行成像,这些气体大致呈球形分布而且没有明显的旋转。其温度估计为1000万摄氏度,约为太阳核心温度的三分之二。在这个温度下,气体在X射线波段发出光芒,可以通过太空X射线望远镜进行研究。

  除了炽热的发光气体之外,天文学家们使用毫米波望远镜在距离黑洞几光年内的范围发现了大量相对较冷的氢气(约1万摄氏度)。

  “之前我们认为,黑洞周围的气体温度比较高。为什么存在比较冷的气体,还有待分析。”中国科学院国家天文台研究员苟利军接受科技日报记者采访时表示,目前还不知道这些较冷的气体如何促使沉积物落入黑洞。

  有助于探寻吸积模式的奥秘

  “与事件视界望远镜的观测相比,ALMA这次看到的吸积盘尺度更大,而与之前X-射线观测相比,则尺度又小一些,距离黑洞中心更近,这有助于观测分析物质如何落入黑洞之中。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷说。

  苟利军表示,以前也能观测到黑洞的气体辐射,但没有观测到围绕黑洞旋转的气体流。

  观测到的模糊圆盘为天文学家研究吸积盘提供了新视角。“这次发现有助于我们了解银河系中心黑洞物质的分布情况。而且,黑洞有不同的吸积模式,但哪种吸积模式在银河系中心的黑洞中发生作用,我们并不清楚,而这些观测有助于解决这些问题。”陈学雷说。

  随着黑洞照片公布而名声大噪的EHT,等效孔径有一万多公里,这次研究只启用了毫米波段的ALMA,所以看到的吸积盘尺度要大一点。“望远镜口径越大,分辨率越高,但只能看到尺度比较小的区域。”苟利军说。

  具有观测银心的先天优势

  ALMA的灵敏对于发现较冷吸积盘功不可没。ALMA位于智利北部的阿塔卡马沙漠中,那里海拔达5000米,终年干旱。“银河系的中心对着南半球,这意味着南半球的ALMA具有持续观测‘银心’的先天优势。如果没有ALMA加盟,EHT的观测灵敏度将大大降低。”陈学雷说。

  银河系中心黑洞周围的辐射强度足以电离氢,导致被电离的氢和电子不断重新结合成氢原子,这种重组产生了一种独特的毫米波信号,这种信号能以极少的损耗到达地球。苟利军说:“ALMA凭借其卓越的灵敏度,能够检测到这种微弱的无线电信号。”这些观测结果使天文学家能够绘制位置图并追踪这种气体的运动。

  研究人员通过映射由于多普勒效应引起的电磁波波长变化,可以清楚看到气体围绕黑洞旋转。陈学雷表示,这些信息将为黑洞吞噬物质的方式以及黑洞与周围物质的相互作用提供新线索。(实习记者 代小佩)

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