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有氣體流向黑洞

我國科研團隊拼上黑洞吸積理論最後一塊拼圖

2019-09-23 中国青年报 张茜
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  即使黑洞看起來就像甜甜圈一樣普通,它依舊是世界上最神秘、最受矚目的天體之一。

  前不久,学术期刊《自然》杂志在线发表了中国极地研究中心、中國科學院国家天文台和中國科學技術大學联合国内外多家科研单位和高校共同完成的一项黑洞研究重要成果,論文题为《供给类星体超大质量黑洞吸积盘燃料的核区快速内流》。

  是的,這項研究就像它的標題一樣高深莫測。簡單來講,我國科研團隊此次的貢獻在于,爲一項重要的黑洞理論——吸積理論找到了實實在在的觀測證據。

  “星系是宇宙中的基本单元,天文学家认为几乎所有星系中心都存在超大质量黑洞。大多数星系中的超大质量黑洞是‘宁静’的;而有些星系中的超大质量黑洞是‘活动’的,有大量气体向黑洞流动形成发光的吸积盘,这种星系中心的亮度远超过星系总体平均亮度,我们称这种星系为类星体。”该論文的作者之一、中国极地研究中心南极天文学研究室姜鹏副研究员介绍。

  黑洞爲什麽黑?因爲它質量極大、引力極大,就像一個“吞噬之口”,連光都逃不掉。但“類星體是宇宙中最明亮的天體之一,是遙遠星系中的劇烈發光現象”。

  類星體爲什麽亮?黑洞吸積理論認爲,那是因爲星系氣體下落到距離黑洞約1光年的位置時,由于黑洞的強大引力和高速轉動會形成盤狀氣體流,也就是吸積盤。吸積盤中的氣體高速碰撞摩擦,變得極其熾熱,釋放出相當于萬億倍太陽亮度的能量,發光遠遠超過了整個星系,因此人們就看到了像甜甜圈似的亮環。

  但這僅僅是一個理論模型,此前沒有人親眼看到氣體流入黑洞吸積盤,因此也不能確定到底是什麽給發光的“甜甜圈”源源不斷地提供燃料。科學家們甚至不確定,分布在半徑約一萬光年到10萬光年左右的廣闊星系中的星際物質是否能夠准確地找到黑洞所在地,並且精准地朝著這個方向流動,“這個難度大概相當于百步穿楊射銅錢。”姜鵬幽默地比喻道。

  而前不久,姜鵬所在團隊觀測到了氣體流入吸積盤的過程,找到了證明黑洞吸積理論的重要證據,給這一理論拼上了最後一塊拼圖。

  他介紹,氣體流入吸積盤之所以難以被證實,其中一個最大的困難就是“黑洞離我們太遠,看不清”。他們研究的黑洞之一,距離地球約125億光年。針對這個問題,這一團隊率先提出了利用宇宙中最爲豐富的氫和氦元素的光譜吸收線特征來追蹤氣流的方法。

  通過光譜追蹤氫和氦元素,他們發現,氣體正背向觀測者運動流入星系核區,也就是黑洞方向。並且速度由0持續增加到了5000公裏每秒,這表明氣體受黑洞引力作用持續加速下落。“5000公裏每秒對應著吸積盤外邊界處黑洞引力的自由落體速度,從運動學直接證實氣體確實達到了吸積盤。”姜鵬解釋。

  據介紹,該團隊利用氫和氦元素吸收線開展對黑洞吸積和外流過程的研究已有10年,取得了一系列成果,在他們搜索的超過10萬個類星體中,有8個向他們展示了這個過程。“由于這種氣體流進入我們視線准直方向的幾率非常小,只有宇宙把這一過程展示在我們眼前時,我們才可能看見。不過這已足夠驗證確實有氣體流入吸積盤,可以說是‘由0到1’的突破。”他說。

  “暗物質、暗能量、黑洞、宇宙起源、天體起源、生命起源,合稱‘兩暗一黑三起源’,是最重大的基礎性科學問題。”姜鵬告訴記者,黑洞相關研究的重大突破之所以備受矚目,一個重要的原因就是人類永遠都在探究自己的起源。

  一個普通人和黑洞有什麽關系?

  姜鵬說,從宇宙演化到星系演化,再到地球演化、生命起源,是一條不可分割的鏈條。在這個鏈條上可以看出,星系演化是連接人類和宇宙的必經橋梁。在星系演化的過程中,黑洞和星系的相互作用——包括黑洞吸積和外流過程在內的物質、能量交換等,是極其重要的環節。“我們所居住的銀河系中心也有一個黑洞,如果它活動起來,我們應該無法生存”。

  難怪,黑洞這麽令人著迷。

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