太空有個(gè)“甜甜圈”

呆阿明

20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家就認(rèn)識(shí)到多數(shù)大型星系的中心都存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，其周圍的氣體和其他物質(zhì)不斷被吸進(jìn)黑洞中，形成釋放明亮光線的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，甚至能夠產(chǎn)生巨大的能量。這些黑洞也被稱為“活躍星系核”。

盡管這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)的假設(shè)已經(jīng)存在了幾十年，但是直到最近，天文學(xué)家才首次直接觀測(cè)到這種結(jié)構(gòu)。這種神奇的現(xiàn)象能幫助人類揭示宇宙中的哪些奧秘呢？

在星系中發(fā)現(xiàn)“甜甜圈”

“活躍星系核”是天文學(xué)家使用的統(tǒng)一模型，用來(lái)描述攝食黑洞周圍的結(jié)構(gòu)。為了解釋活躍星系核的各種觀測(cè)特征，天文學(xué)家已假設(shè)活躍超大質(zhì)量黑洞周圍存在圓圈狀的灰塵氣體旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，然而灰塵氣體環(huán)狀結(jié)構(gòu)從外觀上來(lái)看是非常微小的。

不過(guò)，在智利ALMA射電望遠(yuǎn)鏡的幫助下，天文學(xué)家首次在超大質(zhì)量黑洞的周圍發(fā)現(xiàn)了這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)——一個(gè)旋轉(zhuǎn)的灰塵環(huán)，它由環(huán)繞黑洞的氣體和塵埃組成。此次的觀測(cè)目標(biāo)是螺旋星系M77中心，M77星系位于鯨魚星座，距離地球4700萬(wàn)光年。螺旋星系屬于河外星系，是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恒星所形成，有旋臂結(jié)構(gòu)的扁平狀星系。螺旋星系的螺旋形狀最早是在1845年觀測(cè)獵犬座星系M51時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

M77星系中心的活躍在黑洞周圍的緊密氣體云團(tuán)直徑達(dá)40光年，乍一看就像飄浮在宇宙中巨大的“甜甜圈”。但與龐大的M77星系相比，超大質(zhì)量黑洞周圍的“甜甜圈”就顯得非常小。

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阿塔卡馬大型毫米波陣列

“阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波天線陣列望遠(yuǎn)鏡”英文名稱縮寫為ALMA，始建于2002年，建設(shè)地是智利北部海拔5000米的阿塔卡馬沙漠。之所以將這一大型科學(xué)設(shè)備建設(shè)在智利境內(nèi)，是因?yàn)檫@里是全世界僅存的幾處海拔很高，并且大氣濕度很低，同時(shí)沒有受到人類光污染影響的觀測(cè)地點(diǎn)之一。ALMA對(duì)于干燥空氣的要求尤其敏感，因?yàn)槌睗竦拇髿鈺?huì)吸收這一設(shè)備觀測(cè)波段的無(wú)線電波。

ALMA是由66個(gè)拋物面天線組成的巨大的射電望遠(yuǎn)鏡，擁有0.01弧秒的分辨率，相當(dāng)于能看清500多千米外的一枚硬幣，其視力超過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡10倍。ALMA主要用于獲得有關(guān)星系和行星演變的數(shù)據(jù)，尋找新天體以及探尋宇宙中是否存在能進(jìn)化成生命的物質(zhì)。

世界部分毫米波陣列及海拔高度

日本野邊山1350米

美國(guó)甚大陣2124米

智利拉西亞2400米

美國(guó)凱克4145米

智利阿塔卡馬5058米

“甜甜圈”會(huì)旋轉(zhuǎn)

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，“甜甜圈”并沒有完全按照黑洞的引力旋轉(zhuǎn);相反，它的運(yùn)動(dòng)具有高度的隨機(jī)性。原來(lái)，通過(guò)ALMA射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)分析，天文學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)“甜甜圈”中的物質(zhì)出現(xiàn)了多普勒頻移效應(yīng)，即一些物質(zhì)遠(yuǎn)離地球，一些物質(zhì)朝向地球，這是發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一個(gè)明顯標(biāo)志。

這個(gè)明顯的標(biāo)志也帶來(lái)了額外的復(fù)雜性，因?yàn)椤疤鹛鹑Α币欢ǔ潭壬夏馨凑疹A(yù)期方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，但是它具有一定的不對(duì)稱性，其中部分結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)并具有方向隨意性的特征。天文學(xué)家認(rèn)為，這可能是一個(gè)顛覆性的跡象：該星系曾與另一個(gè)較小的星系發(fā)生過(guò)碰撞并且合并。

不過(guò)，要確定星系及其活躍星系核的歷史，仍需要進(jìn)行更多的工作。當(dāng)前最新研究首次觀測(cè)的旋轉(zhuǎn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是研究星系和超大質(zhì)量黑洞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

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多普勒頻移

“多普勒頻移”是物理學(xué)術(shù)名詞，意指物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。舉個(gè)例子，當(dāng)你站在公路旁，留意一輛快速行駛的汽車的引擎聲音，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在它向你行駛時(shí)，聲音的音調(diào)會(huì)變高（即頻率變高）;在它離你而去時(shí)，音調(diào)會(huì)變得低些（即頻率變低）。

釋放能量

許多活躍星系核都沿著旋轉(zhuǎn)軸噴射物質(zhì)流，然而關(guān)于釋放物質(zhì)流的機(jī)制原理以及何種物質(zhì)構(gòu)成噴射流，天文學(xué)家對(duì)此了解甚少。不過(guò)，天文學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)流向太空噴射時(shí)，黑洞可能損失旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能。

然而，要想證實(shí)這一點(diǎn)，天文學(xué)家需要測(cè)量黑洞失去多少旋轉(zhuǎn)能量，但這是非常困難的。不過(guò)，一項(xiàng)最新的模型提供了解決的辦法：通過(guò)測(cè)量噴射流磁場(chǎng)，然后結(jié)合需要驅(qū)動(dòng)噴射流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能數(shù)量，就可以評(píng)估出旋轉(zhuǎn)能量損失了多少。

盡管天文學(xué)家對(duì)超大質(zhì)量黑洞的研究較多，但這一項(xiàng)研究依舊非常具有挑戰(zhàn)性。不僅是因?yàn)殡x地球最近的超大質(zhì)量黑洞相對(duì)比較安靜，只有少量的氣體被它吸進(jìn)，而且由于它位于星系的中心。在那里，塵埃、氣體和恒星之間的相互作用使它變得模糊。但我們相信，隨著時(shí)間的推移以及天文學(xué)儀器的進(jìn)步，天文學(xué)家最終能揭示這些巨大的黑洞和它們的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以及如何與它們的星系共存。