超大質(zhì)量黑洞看起來像什么？科學(xué)家：像個(gè)甜甜圈

據(jù)外媒報(bào)道，根據(jù)最新研究，國(guó)外科學(xué)家使用最新模型，對(duì)超大質(zhì)量黑洞的增長(zhǎng)和進(jìn)化有了更深的描述。

天文學(xué)家使用活躍星系核“統(tǒng)一模型”來描述攝食黑洞周圍的結(jié)構(gòu)，人們認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)和它的方向影響我們所觀測(cè)到的，這就是為什么并非所有活躍星系核看上去都相同。該結(jié)構(gòu)的一部分是充滿灰塵、甜甜圈狀的物質(zhì)環(huán)——環(huán)繞黑洞的氣體和灰塵，依據(jù)其所在方向，從觀測(cè)角度遮擋部分或者全部結(jié)構(gòu)。

目前，天文學(xué)家基于阿塔卡瑪大型毫米波天線陣望遠(yuǎn)鏡（ALMA）觀測(cè)的高分辨率圖像，首次在超大質(zhì)量黑洞周圍發(fā)現(xiàn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的灰塵環(huán)。他們的觀測(cè)目標(biāo)是螺旋星系M77中心，它距離地球4700萬光年，位于鯨魚星座，他們通過ALMA望遠(yuǎn)鏡，能夠識(shí)別發(fā)現(xiàn)星系中心環(huán)繞黑洞的氣體灰塵結(jié)合著氫氰酸分子（HCN）和甲?；肿樱℉CO+）噴射物，對(duì)準(zhǔn)一個(gè)密集環(huán)繞中心黑洞的“甜甜圈”結(jié)構(gòu)。目前，這項(xiàng)最新研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《天體物理學(xué)快報(bào)》上。

該項(xiàng)研究報(bào)告作者、日本國(guó)家天文臺(tái)Masatoshi Imanishi說：“為了解釋活躍星系核的各種觀測(cè)特征，天文學(xué)家已假設(shè)活躍超大質(zhì)量黑洞周圍存在類似甜甜圈的灰塵氣體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，然而灰塵氣體環(huán)狀結(jié)構(gòu)從外觀上是非常微小的，基于ALMA望遠(yuǎn)鏡的高分辨率圖像，目前我們能夠直接觀測(cè)到該結(jié)構(gòu)。”

這個(gè)甜甜圈結(jié)構(gòu)位于一個(gè)700光年寬度絲狀半環(huán)物質(zhì)結(jié)構(gòu)之中，它自身直徑大約20光年，與龐大的M77星系相比，僅是一個(gè)非常小的太空區(qū)域。通過ALMA望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)分析，研究小組能夠發(fā)現(xiàn)甜甜圈結(jié)構(gòu)中物質(zhì)出現(xiàn)多普勒頻移（Doppler shifting），一些物質(zhì)遠(yuǎn)離地球，一些物質(zhì)朝向地球，這是發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一個(gè)明顯標(biāo)志。

這一明顯標(biāo)志也帶來額外的復(fù)雜性，甜甜圈結(jié)構(gòu)能按照預(yù)期方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但是它具有一定的不對(duì)稱性，其中部分結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)并具有方向隨意性特征。研究小組認(rèn)為，這可能是一個(gè)顛覆性的跡象，例如：該星系曾與另一個(gè)較小的星系發(fā)生合并。要確定星系及其活躍星系核的歷史，仍需要進(jìn)行更多的工作，當(dāng)前最新研究首次觀測(cè)的旋轉(zhuǎn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是研究星系和超大質(zhì)量黑洞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

釋放能量

許多活躍星系核都沿著旋轉(zhuǎn)軸噴射物質(zhì)流，關(guān)于釋放物質(zhì)流的機(jī)制，以及何種物質(zhì)構(gòu)成噴射流，科學(xué)家對(duì)此了解甚少。但是基于這種噴射流相關(guān)磁場(chǎng)測(cè)量的最新模型表明，當(dāng)物質(zhì)流向太空噴射時(shí)，黑洞可能損失旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。

該模型是由莫斯科物理科學(xué)技術(shù)研究所基礎(chǔ)和宇宙相對(duì)天體應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)家研制的，結(jié)果表明極強(qiáng)噴射流的能量與黑洞自身旋轉(zhuǎn)密切相關(guān)，并向天文學(xué)家提供可測(cè)量特征用于測(cè)試該理論觀點(diǎn)。這項(xiàng)最新研究報(bào)告發(fā)表在2017年12月22日出版的《天文學(xué)和太空科學(xué)前沿》雜志上。

科學(xué)家認(rèn)為黑洞能夠旋轉(zhuǎn)，就像恒星和行星一樣，當(dāng)物質(zhì)從吸積盤流入黑洞時(shí)，黑洞吸收了角動(dòng)量，并且旋轉(zhuǎn)速度更快。這種效應(yīng)可在年輕恒星上觀察到，它們被類似的吸積盤包圍著。但是新生恒星旋轉(zhuǎn)速度太慢，由于它們吸收一定的角動(dòng)量，角動(dòng)量能夠驅(qū)動(dòng)恒星的噴射流，相同的進(jìn)程也存在于黑洞周圍。

但為了證實(shí)這一點(diǎn)，天文學(xué)家需要測(cè)量黑洞失去多少旋轉(zhuǎn)能量，但這是非常困難的。同樣地，測(cè)量吸積盤物質(zhì)的“磁通量”數(shù)量等級(jí)，可以評(píng)估出旋轉(zhuǎn)能量的損失，但這也是非常難以測(cè)量的。目前，這項(xiàng)最新模型和近期其它更先進(jìn)的黑洞噴射模型提出了一個(gè)“代理”：測(cè)量噴射流磁場(chǎng)，然后結(jié)合在需要驅(qū)動(dòng)噴射流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能數(shù)量上。

噴射流磁場(chǎng)可以被測(cè)量，這是因?yàn)榇磐渴鞘睾愕?，通過測(cè)量噴射流等級(jí)，我們也能探測(cè)到黑洞附近的磁通量。目前，這項(xiàng)研究使天文學(xué)家將磁場(chǎng)噴射流與黑洞旋轉(zhuǎn)損失聯(lián)系在一起，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們對(duì)黑洞及其周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)和噴射流的理解是否正確，或者我們?nèi)孕枰M(jìn)一步改進(jìn)提高。

2017年4月視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）用了一周半的時(shí)間收集銀河系超大質(zhì)量黑洞，以及橢圓星系M87中大型黑洞的相關(guān)數(shù)據(jù)，不久我們可能不僅首次拍攝到一個(gè)超大質(zhì)量黑洞周圍的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，還能觀測(cè)到黑洞視界的邊緣。作為一名天體物理學(xué)家，這將是一個(gè)令人激動(dòng)人心的時(shí)刻。