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极地科学重点实验室南极天文团队首次观测到供给类星体超大质量黑洞吸积盘燃料的核区快速内流气体

发布时间:2019-09-12

国家海洋局极地科学重点实验室南极天文团队周宏岩研究员领导的合作研究团队,在国际上首次成功观测到类星体核区为超大质量黑洞吸积盘提供吸积燃料的快速内流气体,完成了黑洞吸积物理图像的最后一块拼图,在黑洞吸积物理、活动星系、及黑洞和星系共同演化等研究领域具有重要科学价值。成果论文“Fast Adjacent Inflows as the Fuel of Supermassive Black Hole Accretion Disks in Quasars”于9月5日发表在国际学术期刊《自然》上(https://www.nature.com/articles/s41586-019-1510-y)。

类星体是宇宙中最明亮的天体之一,是20世纪天文学四大发现之一。天文学家认为星系中心超大质量黑洞通过吸积周围气体释放引力能是类星体发光的能量来源。星系中的气体(星际物质)作为燃料,从巨大的星系空间(约10万光年)输运至中心黑洞吸积盘附近(约1光年),通过吸积盘逐渐落向黑洞并在吸积盘中释放引力能转化为剧烈辐射。但是遥远星系中黑洞吸积盘的视尺度实在太小,无法空间分辨,天文学家一直未确切观测到从星系核区流入吸积盘的气体。吸积盘的气体燃料供给是一个长期悬而未决的科学问题。

氢和氦是宇宙中最为丰富的基础元素,对气体的示踪非常有效而且可诊断气体的物理状态。课题组创新使用氢和氦元素的宽吸收线光谱特征,认证气体内流运动速度与黑洞引力自由落体速度相当的类星体,首先从运动学上确定这些内流气体到达吸积盘外边界,再利用光致电离模型进一步推算内流气体的物理性质,检验气体的供给和消耗平衡。搜寻超过10万条类星体光谱,成功在8个纯粹红移的氢和氦宽吸收线类星体中观测到直接供给吸积盘的内流气体。《自然》杂志审稿人肯定该研究工作是第一次明确探测到供给吸积盘的内流气体,并认为该成果在类星体等天文学研究领域,以及面向公众的知识传播方面都有重要价值。

自然资源部所属的中国极地研究中心周宏岩研究员为文章第一作者和通讯作者,中国科学院国家天文台袁为民研究员和中国科学技术大学王挺贵教授为共同通讯作者,课题成员还来自中国科学院上海天文台、美国佛罗里达大学、中国科学院云南天文台和安徽师范大学等多家国内外科研单位和高校。该研究得到了自然资源部、中国科学院、国家自然科学基金委等的支持。

图1:类星体中心引擎的结构及观测内流气体的视线方向示意图。内流气体位于吸积盘和尘埃环之间,距离中心黑洞约1 pc,内流速度沿视线方向从0变化到5000 km/s,最大速度和吸积盘外边界的自由落体速度相当,说明内流确实由超大质量黑洞的引力加速。通过解算光致电离模型,诊断内流为冷的高密度大柱密度气体,证实其能提供吸积盘足够的燃料。内流很可能起源于尘埃环中由于多种原因损失了角动量的部分物质。一般情况下,观测者视线会同时穿过内流和外流气体。论文中报道的类星体SDSS J103516.20+142200.6光谱上同时观测到多种金属离子的红移和蓝移的宽吸收线(插图a),各种离子距离中心黑洞的距离可通过解算光致电离模型确定(插图b)。