黑洞周圍的氣體是冷的還是熱的?

在我們的印象中，離黑洞的事件視界越近，氣體的溫度應(yīng)該更高。但位于智利沙漠的阿塔卡馬大型毫米波陣望遠(yuǎn)鏡(ALMA)看到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞周圍出現(xiàn)了較冷氣體，該研究結(jié)果日前發(fā)表在《自然》雜志上。

發(fā)現(xiàn)溫度較低的氣流

不久前，天文學(xué)家公布了首張黑洞照片。為得到這張黑洞照片，天文學(xué)家動(dòng)用了遍布全球的8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，組成了一個(gè)口徑一萬多公里的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(EHT)，對(duì)星系M87中心的黑洞和銀河系中心的黑洞人馬座A*進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析。但由于銀河系中心黑洞的數(shù)據(jù)比較難處理，所以當(dāng)時(shí)只公布了星系M87中心的黑洞照片。

而這一次，ALMA看到了銀河系中心的黑洞氣體。銀河系中心離地球大約2.6萬光年，這里充滿了星星、星際塵埃云，以及非常熱和相對(duì)較冷的氣體?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這些氣體在黑洞周圍的軌道上運(yùn)行，而且這些氣體距離黑洞的事件視界大約為十分之一光年。

然而，目前天文學(xué)家只能對(duì)其中較熱的、稀薄的氣體流進(jìn)行成像，這些氣體大致呈球形分布而且沒有明顯的旋轉(zhuǎn)。其溫度估計(jì)為1000萬攝氏度，約為太陽核心溫度的三分之二。在這個(gè)溫度下，氣體在X射線波段發(fā)出光芒，可以通過太空X射線望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行研究。

除了熾熱的發(fā)光氣體之外，天文學(xué)家們使用毫米波望遠(yuǎn)鏡在距離黑洞幾光年內(nèi)的范圍發(fā)現(xiàn)了大量相對(duì)較冷的氫氣(約1萬攝氏度)。

“之前我們認(rèn)為，黑洞周圍的氣體溫度比較高。為什么存在比較冷的氣體，還有待分析。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員茍利軍接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，目前還不知道這些較冷的氣體如何促使沉積物落入黑洞。

有助于探尋吸積模式的奧秘

“與事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)相比，ALMA這次看到的吸積盤尺度更大，而與之前X-射線觀測(cè)相比，則尺度又小一些，距離黑洞中心更近，這有助于觀測(cè)分析物質(zhì)如何落入黑洞之中。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷說。

茍利軍表示，以前也能觀測(cè)到黑洞的氣體輻射，但沒有觀測(cè)到圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)的氣體流。

觀測(cè)到的模糊圓盤為天文學(xué)家研究吸積盤提供了新視角。“這次發(fā)現(xiàn)有助于我們了解銀河系中心黑洞物質(zhì)的分布情況。而且，黑洞有不同的吸積模式，但哪種吸積模式在銀河系中心的黑洞中發(fā)生作用，我們并不清楚，而這些觀測(cè)有助于解決這些問題。”陳學(xué)雷說。

隨著黑洞照片公布而名聲大噪的EHT，等效孔徑有一萬多公里，這次研究只啟用了毫米波段的ALMA，所以看到的吸積盤尺度要大一點(diǎn)。“望遠(yuǎn)鏡口徑越大，分辨率越高，但只能看到尺度比較小的區(qū)域。”茍利軍說。

具有觀測(cè)銀心的先天優(yōu)勢(shì)

ALMA的靈敏對(duì)于發(fā)現(xiàn)較冷吸積盤功不可沒。ALMA位于智利北部的阿塔卡馬沙漠中，那里海拔達(dá)5000米，終年干旱。“銀河系的中心對(duì)著南半球，這意味著南半球的ALMA具有持續(xù)觀測(cè)‘銀心’的先天優(yōu)勢(shì)。如果沒有ALMA加盟，EHT的觀測(cè)靈敏度將大大降低。”陳學(xué)雷說。

銀河系中心黑洞周圍的輻射強(qiáng)度足以電離氫，導(dǎo)致被電離的氫和電子不斷重新結(jié)合成氫原子，這種重組產(chǎn)生了一種獨(dú)特的毫米波信號(hào)，這種信號(hào)能以極少的損耗到達(dá)地球。茍利軍說：“ALMA憑借其卓越的靈敏度，能夠檢測(cè)到這種微弱的無線電信號(hào)。”這些觀測(cè)結(jié)果使天文學(xué)家能夠繪制位置圖并追蹤這種氣體的運(yùn)動(dòng)。

研究人員通過映射由于多普勒效應(yīng)引起的電磁波波長變化，可以清楚看到氣體圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)。陳學(xué)雷表示，這些信息將為黑洞吞噬物質(zhì)的方式以及黑洞與周圍物質(zhì)的相互作用提供新線索。(實(shí)習(xí)記者 代小佩)