太空有个“甜甜圈”

2019-07-10 01:22:58 科学大众·小诺贝尔2019年5期

呆阿明

20世纪70年代,天文学家就认识到多数大型星系的中心都存在一个超大质量黑洞,其周围的气体和其他物质不断被吸进黑洞中,形成释放明亮光线的环状结构,甚至能够产生巨大的能量。这些黑洞也被称为“活跃星系核”。

尽管这种环状结构的假设已经存在了几十年,但是直到最近,天文学家才首次直接观测到这种结构。这种神奇的现象能帮助人类揭示宇宙中的哪些奥秘呢?

在星系中发现“甜甜圈”

“活跃星系核”是天文学家使用的统一模型,用来描述摄食黑洞周围的结构。为了解释活跃星系核的各种观测特征,天文学家已假设活跃超大质量黑洞周围存在圆圈状的灰尘气体旋转结构,然而灰尘气体环状结构从外观上来看是非常微小的。

不过,在智利ALMA射电望远镜的帮助下,天文学家首次在超大质量黑洞的周围发现了这种环状结构——一个旋转的灰尘环,它由环绕黑洞的气体和尘埃组成。此次的观测目标是螺旋星系M77中心,M77星系位于鲸鱼星座,距离地球4700万光年。螺旋星系属于河外星系,是由大量气体、尘埃和又热又亮的恒星所形成,有旋臂结构的扁平状星系。螺旋星系的螺旋形状最早是在1845年观测猎犬座星系M51时发现的。

M77星系中心的活跃在黑洞周围的紧密气体云团直径达40光年,乍一看就像飘浮在宇宙中巨大的“甜甜圈”。但与庞大的M77星系相比,超大质量黑洞周围的“甜甜圈”就显得非常小。

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阿塔卡马大型毫米波阵列

“阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波天线阵列望远镜”英文名称缩写为ALMA,始建于2002年,建设地是智利北部海拔5000米的阿塔卡马沙漠。之所以将这一大型科学设备建设在智利境内,是因为这里是全世界仅存的几处海拔很高,并且大气湿度很低,同时没有受到人类光污染影响的观测地点之一。ALMA对于干燥空气的要求尤其敏感,因为潮湿的大气会吸收这一设备观测波段的无线电波。

ALMA是由66个抛物面天线组成的巨大的射电望远镜,拥有0.01弧秒的分辨率,相当于能看清500多千米外的一枚硬币,其视力超过哈勃太空望远镜10倍。ALMA主要用于获得有关星系和行星演变的数据,寻找新天体以及探寻宇宙中是否存在能进化成生命的物质。

世界部分毫米波阵列及海拔高度

日本野边山1350米

美国甚大阵2124米

智利拉西亚2400米

美国凯克4145米

智利阿塔卡马5058米

“甜甜圈”会旋转

天文学家发现,“甜甜圈”并没有完全按照黑洞的引力旋转;相反,它的运动具有高度的随机性。原来,通过ALMA射电望远镜观测分析,天文学家能够发现“甜甜圈”中的物质出现了多普勒频移效应,即一些物质远离地球,一些物质朝向地球,这是发生旋转的一个明显标志。

这个明显的标志也带来了额外的复杂性,因为“甜甜圈”一定程度上能按照预期方式进行旋转,但是它具有一定的不对称性,其中部分结构发生旋转并具有方向随意性的特征。天文学家认为,这可能是一个颠覆性的迹象:该星系曾与另一个较小的星系发生过碰撞并且合并。

不過,要确定星系及其活跃星系核的历史,仍需要进行更多的工作。当前最新研究首次观测的旋转环状结构,是研究星系和超大质量黑洞的一个重要环节。

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多普勒频移

“多普勒频移”是物理学术名词,意指物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。举个例子,当你站在公路旁,留意一辆快速行驶的汽车的引擎声音,你会发现在它向你行驶时,声音的音调会变高(即频率变高);在它离你而去时,音调会变得低些(即频率变低)。

释放能量

许多活跃星系核都沿着旋转轴喷射物质流,然而关于释放物质流的机制原理以及何种物质构成喷射流,天文学家对此了解甚少。不过,天文学家认为,当物质流向太空喷射时,黑洞可能损失旋转的动能。

然而,要想证实这一点,天文学家需要测量黑洞失去多少旋转能量,但这是非常困难的。不过,一项最新的模型提供了解决的办法:通过测量喷射流磁场,然后结合需要驱动喷射流的旋转动能数量,就可以评估出旋转能量损失了多少。

尽管天文学家对超大质量黑洞的研究较多,但这一项研究依旧非常具有挑战性。不仅是因为离地球最近的超大质量黑洞相对比较安静,只有少量的气体被它吸进,而且由于它位于星系的中心。在那里,尘埃、气体和恒星之间的相互作用使它变得模糊。但我们相信,随着时间的推移以及天文学仪器的进步,天文学家最终能揭示这些巨大的黑洞和它们的环状结构,以及如何与它们的星系共存。