黑洞周圍的氣體是冷的還是熱的?

在我們的印象中，離黑洞的事件視界越近，氣體的溫度應該更高。但位于智利沙漠的阿塔卡馬大型毫米波陣望遠鏡(ALMA)看到銀河系中心超大質量黑洞周圍出現(xiàn)了較冷氣體，該研究結果日前發(fā)表在《自然》雜志上。

發(fā)現(xiàn)溫度較低的氣流

不久前，天文學家公布了首張黑洞照片。為得到這張黑洞照片，天文學家動用了遍布全球的8個毫米/亞毫米波射電望遠鏡，組成了一個口徑一萬多公里的“事件視界望遠鏡”(EHT)，對星系M87中心的黑洞和銀河系中心的黑洞人馬座A*進行了連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)分析。但由于銀河系中心黑洞的數(shù)據(jù)比較難處理，所以當時只公布了星系M87中心的黑洞照片。

而這一次，ALMA看到了銀河系中心的黑洞氣體。銀河系中心離地球大約2.6萬光年，這里充滿了星星、星際塵埃云，以及非常熱和相對較冷的氣體?？茖W家們認為，這些氣體在黑洞周圍的軌道上運行，而且這些氣體距離黑洞的事件視界大約為十分之一光年。

然而，目前天文學家只能對其中較熱的、稀薄的氣體流進行成像，這些氣體大致呈球形分布而且沒有明顯的旋轉。其溫度估計為1000萬攝氏度，約為太陽核心溫度的三分之二。在這個溫度下，氣體在X射線波段發(fā)出光芒，可以通過太空X射線望遠鏡進行研究。

除了熾熱的發(fā)光氣體之外，天文學家們使用毫米波望遠鏡在距離黑洞幾光年內的范圍發(fā)現(xiàn)了大量相對較冷的氫氣(約1萬攝氏度)。

“之前我們認為，黑洞周圍的氣體溫度比較高。為什么存在比較冷的氣體，還有待分析。”中國科學院國家天文臺研究員茍利軍接受科技日報記者采訪時表示，目前還不知道這些較冷的氣體如何促使沉積物落入黑洞。

有助于探尋吸積模式的奧秘

“與事件視界望遠鏡的觀測相比，ALMA這次看到的吸積盤尺度更大，而與之前X-射線觀測相比，則尺度又小一些，距離黑洞中心更近，這有助于觀測分析物質如何落入黑洞之中。”中國科學院國家天文臺研究員陳學雷說。

茍利軍表示，以前也能觀測到黑洞的氣體輻射，但沒有觀測到圍繞黑洞旋轉的氣體流。

觀測到的模糊圓盤為天文學家研究吸積盤提供了新視角。“這次發(fā)現(xiàn)有助于我們了解銀河系中心黑洞物質的分布情況。而且，黑洞有不同的吸積模式，但哪種吸積模式在銀河系中心的黑洞中發(fā)生作用，我們并不清楚，而這些觀測有助于解決這些問題。”陳學雷說。

隨著黑洞照片公布而名聲大噪的EHT，等效孔徑有一萬多公里，這次研究只啟用了毫米波段的ALMA，所以看到的吸積盤尺度要大一點。“望遠鏡口徑越大，分辨率越高，但只能看到尺度比較小的區(qū)域。”茍利軍說。

具有觀測銀心的先天優(yōu)勢

ALMA的靈敏對于發(fā)現(xiàn)較冷吸積盤功不可沒。ALMA位于智利北部的阿塔卡馬沙漠中，那里海拔達5000米，終年干旱。“銀河系的中心對著南半球，這意味著南半球的ALMA具有持續(xù)觀測‘銀心’的先天優(yōu)勢。如果沒有ALMA加盟，EHT的觀測靈敏度將大大降低。”陳學雷說。

銀河系中心黑洞周圍的輻射強度足以電離氫，導致被電離的氫和電子不斷重新結合成氫原子，這種重組產生了一種獨特的毫米波信號，這種信號能以極少的損耗到達地球。茍利軍說：“ALMA憑借其卓越的靈敏度，能夠檢測到這種微弱的無線電信號。”這些觀測結果使天文學家能夠繪制位置圖并追蹤這種氣體的運動。

研究人員通過映射由于多普勒效應引起的電磁波波長變化，可以清楚看到氣體圍繞黑洞旋轉。陳學雷表示，這些信息將為黑洞吞噬物質的方式以及黑洞與周圍物質的相互作用提供新線索。(實習記者 代小佩)