看!有气体流向黑洞 我国科研团队拼上黑洞吸积理论最后一块拼图

中国青年报、中国青年网记者张茜

漫画:江鹏

尽管黑洞看起来像甜甜圈一样普通,但它仍然是世界上最神秘和最引人注目的天体之一。

不久前,学术期刊《自然》(Nature)在网上发表了一项由中国极地研究所、中国科学院国家天文台、中国科技大学以及国内外许多研究机构和大学共同完成的关于黑洞的重要研究成果。这篇论文的题目是“为类星体的超大质量黑洞吸积盘提供燃料的核区域的快速内部流动”。

是的,这项研究和它的标题一样神秘。简而言之,我们科学研究小组这次的贡献是为一个重要的黑洞理论,吸积理论找到真正的观测证据。

“星系是宇宙中的基本单位。天文学家认为超大质量黑洞存在于几乎所有的星系中心。星系中大多数超大质量黑洞是“安静的”。然而,一些星系中的超大质量黑洞是“活跃的”,大量气体流向黑洞形成发光的吸积盘。这个星系中心的亮度远远高于星系的整体平均亮度。我们称这个星系为类星体。”本文由作者之一、中国极地研究所南极天文研究室副研究员江鹏介绍。

为什么黑洞是黑色的?由于其巨大的质量和重力,它就像一个“吞噬嘴”,甚至无法逃脱光线。然而,“类星体是宇宙中最亮的天体之一,是遥远星系中强烈的发光现象。”

类星体为什么明亮?根据黑洞吸积理论,这是因为当星系气体落到离黑洞约1光年的位置时,由于黑洞的强大引力和高速旋转,将形成盘状气流,即吸积盘。吸积盘中的气体高速碰撞和摩擦,变得非常热,释放出相当于太阳亮度万亿倍的能量,发出的光远远超过整个星系,所以人们看到像甜甜圈一样明亮的圆环。

然而,这只是一个理论模型。以前没有人见过气体流入黑洞吸积盘,所以不确定是什么在不断地给发光的甜甜圈提供燃料。科学家甚至不确定分布在半径约为10,000至100,000光年的巨大星系中的星际物质能否准确找到黑洞的位置并朝这个方向流动。"这个困难可能相当于在100步之内发射铜币."江鹏幽默地比喻。

不久前,江鹏的团队观察了气体流入吸积盘的过程,发现了证明黑洞吸积论的重要证据,并为这一理论拼凑了最后一块拼图。

他说,证明气体流入吸积盘的最大困难之一是“黑洞离我们太远,看不清楚”。他们研究的黑洞之一离地球约125亿光年。针对这个问题,该团队率先提出了一种利用宇宙中最丰富的氢和氦元素的光谱吸收线特性来跟踪气流的方法。

通过光谱追踪氢和氦,他们发现气体正在远离观察者,流入星系核区域,也就是黑洞的方向。速度从每秒0公里持续增加到5000公里,这表明气体在黑洞的重力下继续加速和下降。每秒5000公里相当于黑洞引力在吸积盘外边界的自由落体速度,这从运动学上直接证明气体确实到达吸积盘江鹏解释道。

据报道,该小组已经用氢和氦吸收线研究黑洞吸积和流出过程10年,并取得了一系列成果。在他们搜索的100,000多个类星体中,有8个向他们展示了这个过程。“由于这种气流进入我们视线准直方向的概率非常小,只有当宇宙在我们眼前显示这一过程时,我们才能看到它。然而,这足以证明确实有气体流入吸积盘,这可以说是从0到1的突破。”他说。

“暗物质、暗能量、黑洞、宇宙起源、天体起源和生命起源,统称为‘两黑一黑三起源’,是最重要的基础科学问题。”江鹏告诉记者,黑洞研究取得显著突破的重要原因之一是人类总是在探索它们的起源。

普通人和黑洞是什么关系?

江鹏说,从宇宙的进化到星系的进化,再到地球的进化和生命的起源,是一条不可分割的链条。从这条链可以看出,星系进化是连接人类和宇宙的必要桥梁。在星系演化过程中,黑洞和星系之间的相互作用——物质和能量的交换,包括黑洞的增大和流出过程,是一个极其重要的环节。“在我们居住的银河系中心也有一个黑洞。如果它移动,我们将无法生存。”

难怪黑洞如此迷人。

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