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

  • 北京刑警举行“五四青年节辩论赛”

  • 2026年“中华美食荟”活动启动

独家策划

推荐阅读
2010年,舒易来获得赴美国哈佛大学麻省眼耳医院联合培养的机会,在该院陈正一教授课题组继续开展耳聋治疗研究。2014年,舒易来带着最前沿的基因编辑理念回到复旦大学附属眼耳鼻喉科医院,继续探索耳聋治疗的新方法。
2026-04-29 10:43
一张4厘米见方、6微米厚的薄膜贴附于大脑功能区表面的硬脑膜外,就能采集到大脑信号。“北脑一号”已在研究者发起的临床研究中完成7例患者植入手术,器械在人体内累计工作时长超4.5万小时,初步验证产品的安全有效性。
2026-04-29 10:38
生物医药基础科研水平大幅提升。据统计,2023年,中国学者在生物医药领域三家全球顶尖学术刊物《细胞》《自然》《科学》发表的文章数量,跃升至全球第二,仅次于美国。在评选出的“2024年医疗界十大临床突破”中,有四项来自中国。
2026-04-29 10:33
乘坐自动扶梯时,很多人有“左行右立”的习惯:右侧站立,左侧留给赶路行人。可如果“左行”撞到了“右立”,还造成了一定损失,要担责吗?近期,上海铁路运输法院审结了一起相关案件。
2026-04-29 10:27
4月27日,农业法修订草案提交十四届全国人大常委会第二十二次会议审议。为突出耕地等农业资源保护和农业绿色发展,草案将现行农业法第八章“农业资源与农业环境保护”分为“土地等农业资源保护”“农业绿色发展”两章。
2026-04-29 10:13
教育部今天(28日)发布《普通高等学校本科专业目录(2026年)》,共新增38种普通高校本科新专业。本次获批申办高校可纳入2026年高考招生。
2026-04-28 11:22
目前,本科专业目录共涵盖13个门类、92个专业类、883种专业。
2026-04-28 11:20
中国农业科学院作物科学研究所小麦基因资源发掘与利用创新团队近日成功克隆了调控小麦分枝与主茎之间角度的关键基因,并揭示了其平衡调控小麦“站姿”的分子机制。
2026-04-28 10:01
作为牵头用户,生态环境部已有8颗环境和大气系列卫星在轨运行,还可统筹调用140余颗民商卫星数据资源。
2026-04-28 10:00
西南大学徐洛浩、刘海平教授团队联合德国科学院院士阿克塞尔·迈尔开展攻关,成功破解相关科学难题。
2026-04-28 09:59
人工智能的崛起为人类社会开启了变革的新纪元,深刻重塑着我们生活与生产的各个方面。而作为文明传承与思维锻造的核心路径,阅读在这一浪潮中经历着前所未有的影响与重构。
2026-04-28 09:57
透视农业农村经济“开门红”,其背后是国家战略引领、政策有力支持和市场社会力量的协同发力。
2026-04-28 09:46
外商投资安全审查工作机制办公室(国家发展改革委)依法依规对外资收购Manus项目作出禁止投资决定,要求当事人撤销该收购交易。
2026-04-27 16:54
当前,具身智能产业站在商业落地的临界点,一场从“炫技”到“干活”的务实转向正在悄然发生。
2026-04-27 15:39
以往以机械素质、品牌底蕴为核心卖点的外资车企,纷纷将智能化作为参展的核心主线。
2026-04-27 14:48
这里是淳安国家储备林示范基地,587亩山林经过精心打造,早已不是传统意义上的林场。480多亩杉木林完成阔叶化改造,浙江楠、浙江樟等珍贵树种错落生长;430亩“有路、有房、有水、有轨、有网、有电、有眼”的“七有”林业标准地里,黄精、白芨、三叶青等中药材长势旺盛,菌菇悄悄破土;30多亩梅花观光园内,880株梅花迎春绽放,成为游客青睐的打卡地。
2026-04-27 13:53
近年来,科普视频越来越多地成为公众获取科技知识的重要渠道。
2026-04-27 13:35
中国科协在中国科学家博物馆举行“全民阅读活动周·科学家精神故事会”暨科学家精神主题丛书发布活动。
2026-04-27 12:53
今年4月25日是第四十个“全国儿童预防接种日”,主题是“预防接种,苗助健康,全民行动”。
2026-04-27 10:05
从古人立竿测影、夜观北斗辨识方向,到北斗卫星导航系统提供全天候、高精度的时空信息服务——科技发展沧海桑田,但人类对“我在哪里、我要去哪、如何到达”的追问从未停歇,其指向始终是更好地认识世界、利用资源、服务发展。
2026-04-27 10:03
加载更多