觀測天鵝座 A 星系超大質量黑洞,證實黑洞外圍還有「甜甜圈」結構

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 08 日 18:21 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


黑洞的「統一模型」指出,黑洞外圍有一個甜甜圈狀結構(不是吸積盤)存在,但我們未曾見過,直到最近,天文學家終於在天鵝座 A(Cygnus A)的黑洞周圍首次觀測到。證實這個甜甜圈圓環的存在可以幫助解釋:為什麼黑洞在不同觀察角度下有各種不同的特徵與名稱,比如類星體、耀變體、西佛星系等。

大多數星系的中央坐落著一個超大質量黑洞,黑洞強烈的引力會吸引周遭物質,形成圍繞著黑洞的吸積盤,而吸積盤的表面磁場又有沿星體自轉軸方向對外加速發射的兩道噴流,這一整組「基本配備」(黑洞+吸積盤+噴流)被天文學家當作「中央引擎」。

但令人困擾的是,這組引擎明明配備都差不多,但望遠鏡觀測時卻會出現不同特徵,種種差異又延伸出一堆讓人眼花撩亂的專有名詞,比如類星體(quasar)、耀變體(blazar)、西佛星系(Seyfert galaxies)、電波星系(radio galaxies)等。為何會這樣?

一個解釋是「中央引擎」的外圍還有其他結構存在。事實上,無論是類星體、耀變體、西佛星系還是電波星系,它們都有共同之處:一個極小且極亮的核心、中心可見光連續發射、光度會變化,為了讓這些天體能透過單一理論解釋清楚,1982 年天文學家建立了黑洞的「統一模型」,在該模型下,擁有上述共同特徵的天體泛稱活躍星系核(AGN),並且由黑洞、吸積盤、噴流、以及黑洞外圍一個甜甜圈狀塵埃結構組成。

甜甜圈結構在觀測時會遮蔽掉某些特徵,也就是說,某些名稱不同的物體實際上可能是相同的東西,只是我們從不同角度觀察而看似不同,比如:望遠鏡如果剛好從圓環中間觀察,那結果可能是一個明亮的類星體;如果我們從圓環側面觀察,由於塵埃遮住了光線,只有無線電發射可以通過,那麼我們可能發現電波星系。

至今我們有了黑洞、吸積盤、噴流存在的證據,然而甜甜圈狀塵埃結構直到 2018 年才在 M77 星系中「間接」發現;現在,美國國家電波天文台(NARO)團隊終於在距離地球約 7.6 億光年的天鵝座 A(Cygnus A)星系中,第一次直接觀測到黑洞的甜甜圈塵埃結構。

▲ 甚大天線陣對天鵝座 A 星系的超大質量黑洞成像,首度直接確認理論中的甜甜圈塵埃結構。

天鵝座 A 星系中心的超大質量黑洞質量比太陽大 25 億倍,是一個典型的電波星系,其無線電發射比其他同類型星系還強 10 倍。受益於甚大天線陣(VLA)的高分辨率圖像,研究人員終於首度直接確認天鵝座 A 星系黑洞擁有甜甜圈結構,半徑接近 900 光年。

證實黑洞的甜甜圈圓環結構,將有助於解釋我們發現的各種活躍星系核類型,其實取決於望遠鏡觀測位置。未來我們可以進一步利用阿塔卡馬大型毫米及次毫米波陣列(ALMA),分析圓環塵埃的波長,確認甜甜圈整體形狀與成分組成。

新論文發表在《天文物理期刊通訊》(Astrophysical Journal Letters)。

(圖片來源:美國國家電波天文台

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