首次观测到了特大质量黑洞的吸积盘的“边缘”

天文学家观测到了一个活跃的特大质量黑洞的吸积盘，让我们能更多了解这些正在狼吞虎咽的宇宙怪物。

插图：一个带吸积盘的黑洞，图表展示了团队的研究结果。

（图片来源：国家光学红外天文研究实验室NOIRLab/科学基金会NSF/大学天文研究协会AURA/P.Marenfeld）

天文学家首次观测到一个物质盘的外缘，这个物质盘环绕在一个正在吞噬的特大质量黑洞周围。

观测结果可以让科学家更好地测量这些宇宙怪物周围的结构，了解黑洞是如何以这些结构为食的，以及这种吞噬如何影响星系的演化，而星系又反过来涵容了这些现象。

正在进食的特大质量黑洞，位于亮得惊人的活动星系核（AGN）的中心。这些黑洞的质量可能比太阳的质量大数百万甚至数十亿倍。一个由气体和尘埃组成的漩涡盘，紧紧环绕在这些黑洞的周围，正一点点被喂给中心的特大质量天体。

这种特大质量黑洞有着难以置信的引力影响，导致吸积盘中的物质温度高达一千万摄氏度。这使它们发出的辐射能覆盖整个电磁光谱——从高能伽马射线和X射线，到可见光、红外光和无线电波。活动星系核也被称为“类星体”，它们非常明亮，以至于它们周围星系的每颗恒星加起来的光芒，在它们面前都显得黯淡无光。

类星体。（图片来源：国家航空航天局NASA/航天局ESA/Joseph Olmsted（太空望远镜科学研究所STScI））

然而，即使有这么强大的输出，由于吸积盘相对较小，而且许多吸积盘位于极其遥远的星系，因此很难直接成像。但作为替代，天文学家可以利用吸积盘的全光谱来了解其物理性质，甚至确定其大小。

这是巴西国家空间研究所的研究人员领导的一个团队所采用的技术。Denimara Dias dos Santos和Alberto Rodriguez Ardila研究了遥远的类星体III Zw002的吸积盘，它位于梅西耶106星系（M106）的中心——位于距地球约2400万光年外的猎犬座。

在这个类星体吸积盘的光谱中，该团队首次看到了近红外发射线。这些线条帮助研究人员确定了这个盘状结构的大小，并据此可断定，正在吞噬它的那个特大质量黑洞的质量，是太阳质量的400到500倍。

“这一发现让我们对这类星系宽线区的结构和表现有了宝贵的了解，揭示了活跃星系中特大质量黑洞周围发生的迷人现象。”Rodriguez Ardila在一份声明中说。

吸积盘周围的激发态

当原子吸收能量，并进入物理学家所说的“激发态”时，才会出现该团队研究的那种射线。最终，这些原子必须返回其最低能量状态或“基态”。这种返回基态的过程会释放出光，这些光有着特定元素的原子所特有的波长和能量（因为每个元素都有一组独特的能级）。

这意味着这些光谱发射情况可以帮助识别恒星、行星大气层中存在的元素，在这个案例里，就可以识别黑洞周围吸积盘中的元素。

恒星和其他来源的发射线在光谱中呈现为尖峰，但特大质量黑洞周围的激烈境况，导致吸积盘发射线呈现出不同的外观。

当接近特大质量黑洞的物质被加速到接近光速时，相关的发射线被加宽，并呈现出较浅的波峰。这些发射线来源的区域被称为吸积盘的“宽线区域”。

当吸积盘的一侧向地球运动时，另一侧远离地球。结果是，吸积盘朝向我们旋转的一侧的光波长更短，而远离的一侧的光波长更长。

这类似于在我们地球上，救护车在城市街道上向你驶来时，警报器的声波聚集在一起，产生短波长、高频的声音。当救护车离开时，声波伸展开来，警笛声的频率下降。

这种现象被称为“多普勒频移”。吸积盘发出的光，会产生两个峰值——一个与远离地球的一侧有关，另一个与快速向地球移动的一侧有关。

多普勒频移示意图。

当这些双峰的、加宽的发射线来自吸积盘的内部区域时，它们不能给天文学家提供任何关于吸积盘大小的提示，但如果可以从外缘看到这些线条，它们就能提供线索。

这个天文学家团队在III Zw002宽线区清晰地检测到了的两个近红外双峰轮廓，一个是来自宽线区盘内部的氢谱线，另一个是来自该区域外部边界的氧谱线。

这些射线是在Gemini近红外光谱仪（GNIRS）收集的数据中发现的，该仪器能够同时观测整个近红外光谱，这能让团队捕捉到类星体单一、清晰且保持校准的光谱。

Rodriguez-Ardila说：“之前我们不知道III Zw002有这种双峰分布，但当我们分析数据时，我们非常清楚地看到了双峰。事实上，我们做了好几次数据分析，还以为可能出错了，但每次我们都看到了同样令人激动的结果。”

这有助于限定吸积盘的尺寸，因为团队发现氢线来自距离中心超大质量黑洞16.77光天的地方，而氧线的起源半径则为18.86光天。

天文学家还能够确定宽线区的大小，估计其外径为52.43光天。此外，团队计算出吸积盘的宽线区与地球的夹角为18度。

该团队将继续监测类星体III Zw002，观察其轮廓随时间的变化，并考虑使用近红外光谱研究其他类星体。

这项研究发表在8月份的《天体物理学杂志快报》（Astrophysical Journal Letters）上。

BY:Robert Lea

FY:桔子酱

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