躲藏數十年,科學家終於看見銀河系超大質量黑洞的模糊吸積盤

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 06 日 12:48 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 follow us in feedly

長久以來,我們都知道銀河系中心有個超大質量黑洞,周遭應該要有一層物質吸積盤。然而天文學家到目前為止都還未真正成像吸積盤,僅看過一團球形氣體大致流動著。現在,科學家利用 ALMA 揭露黑洞附近一個冷氣體帶,終於清楚看見氣體圍繞著銀河系黑洞旋轉的景象。



地球距離銀河系中心約 26,000 光年,那裡有一個超大質量黑洞人馬座 A*(Sagittarius A*、Sgr A*)鎮守,質量是太陽質量的 400 萬倍大。經過數十年研究,天文學家逐漸對黑洞周圍的混亂地區有了眉目,那裡充滿四處漫遊的恆星、星際塵埃雲、一團包含非常熱和相對較冷的雲氣,科學家預計這些氣體會形成圍繞著黑洞的巨大吸積盤,從黑洞的事件視界處向外延展十分之幾光年。

然而我們在實際觀測時面臨巨大障礙。迄今為止,天文學家只看過一些於黑洞上空盤旋的恆星和氣體雲,還有一團非常稀薄的高溫氣體,大致呈球形流動,溫度估計為 1,000 萬℃(約太陽核心溫度的三分之二),在此溫度下,氣體於 X 射線波段下發出耀眼光芒,讓科學家得以利用太空 X 射線望遠鏡研究。問題是,這些氣體並沒有明顯組成一個圍繞黑洞旋轉的吸積盤。

除了這團炙熱的發光氣體,科學家也曾利用毫米波長望遠鏡觀測到,距離黑洞幾光年內有另一團相對較冷的氫氣雲塊(約 1 萬℃),直徑約人馬座 A* 直徑 20,000 倍,質量估計為地球 30 倍,不過我們同樣不清楚這些冷氣體對滋養黑洞有何貢獻。

▲ 較冷氫氣團(藍色)在黑洞周圍流動。

所幸現在,靠著阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA)更靈敏的細節分析能力,科學家終於看見這團較冷氣體確實形成了吸積盤,圍繞黑洞旋轉。

黑洞周圍強烈的輻射可導致氫原子不斷失去、重組電子,這道過程會形成一種獨特的毫米波長訊號,在宇宙行進也不易損耗,ALMA 便觀察這些擁有特定波長的光粒子在黑洞周圍分布,因而發現了橢圓形的圓盤,且中間有一個空隙,也就是黑洞;並且,圓盤一側光被拉伸(紅移),另一側光則被壓扁(藍移),表明圓盤一側朝地球移動,另一側則背向地球移動──這就是旋轉吸積盤的明顯標誌!

天文學家不只終於成像人馬座 A* 周圍難以捉摸的吸積盤,也能研究它的旋轉特徵、進食胃口好不好。團隊估計,吸積盤質量約介於太陽質量的 0.00001~0.0001 倍,具體數據要取決於吸積盤厚度,而我們的超大質量黑洞,每年大約只吞食 2.7×10 -10  太陽質量的物質,或說不到月球質量的一半。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(圖片來源:美國國家電波天文台