超大质量黑洞看起来像什么？旋转的“甜甜圈”

艺术家描绘环绕一个超大质量黑洞周围的区域，其中包括：灰尘环、炽热吸积盘和能量释放。

　　北京时间3月5日消息，据国外媒体报道，所有大型星系中心都存在着超大质量黑洞，这些黑洞都在积极吸积物质，因此被称为“活跃星系核（AGN）”。当物质落入黑洞，将形成一个释放明亮光线的盘状结构，甚至能够产生巨大喷发和喷射流。与一个直径数十万光年的星系相比，超大质量黑洞周围的吸积盘和灰尘结构将显得非常小，大约仅有数十光年的宽度。但是近期两项研究最终让我们对超大质量黑洞的增长和进化产生更深入的认识。
　　旋转的“甜甜圈”
　　天文学家使用活跃星系核“统一模型”来描述摄食黑洞周围的结构，人们认为，这种结构和它的方向影响我们所观测到的，这就是为什么并非所有活跃星系核看上去都相同。该结构的一部分是充满灰尘、甜甜圈状的物质环——环绕黑洞的气体和灰尘，依据其所在方向，从观测角度遮挡部分或者全部结构。
　　目前，天文学家基于阿塔卡玛大型毫米波天线阵望远镜（ALMA）观测的高分辨率图像，首次在超大质量黑洞周围发现一个旋转的灰尘环。他们的观测目标是螺旋星系M77中心，它距离地球4700万光年，位于鲸鱼星座，他们通过ALMA望远镜，能够识别发现星系中心环绕黑洞的气体灰尘结合着氢氰酸分子（HCN）和甲酰基分子（HCO+）喷射物，对准一个密集环绕中心黑洞的“甜甜圈”结构。目前，这项最新研究报告发表在近期出版的《天体物理学快报》上。
　　该项研究报告作者、日本国家天文台Masatoshi Imanishi说：“为了解释活跃星系核的各种观测特征，天文学家已假设活跃超大质量黑洞周围存在类似甜甜圈的灰尘气体旋转结构，然而灰尘气体环状结构从外观上是非常微小的，基于ALMA望远镜的高分辨率图像，目前我们能够直接观测到该结构。”

由灰尘物质构成的超大质量黑洞圆环（橙黄色部分）环绕吸积盘和奇点（艺术家想像的黑色部分）。

　　这个甜甜圈结构位于一个700光年宽度丝状半环物质结构之中，它自身直径大约20光年，与庞大的M77星系相比，仅是一个非常小的太空区域。通过ALMA望远镜观测分析，研究小组能够发现甜甜圈结构中物质出现多普勒频移（Doppler shifting），一些物质远离地球，一些物质朝向地球，这是发生旋转的一个明显标志。
　　这一明显标志也带来额外的复杂性，甜甜圈结构能按照预期方式进行旋转，但是它具有一定的不对称性，其中部分结构发生旋转并具有方向随意性特征。研究小组认为，这可能是一个颠覆性的迹象，例如：该星系曾与另一个较小的星系发生合并。要确定星系及其活跃星系核的历史，仍需要进行更多的工作，当前最新研究首次观测的旋转环状结构，是研究星系和超大质量黑洞的一个重要环节。
　　释放能量
　　许多活跃星系核都沿着旋转轴喷射物质流，关于释放物质流的机制，以及何种物质构成喷射流，科学家对此了解甚少。但是基于这种喷射流相关磁场测量的最新模型表明，当物质流向太空喷射时，黑洞可能损失旋转动能。
　　该模型是由莫斯科物理科学技术研究所基础和宇宙相对天体应用研究实验室天体物理学家研制的，结果表明极强喷射流的能量与黑洞自身旋转密切相关，并向天文学家提供可测量特征用于测试该理论观点。这项最新研究报告发表在2017年12月22日出版的《天文学和太空科学前沿》杂志上。
　　科学家认为黑洞能够旋转，就像恒星和行星一样，当物质从吸积盘流入黑洞时，黑洞吸收了角动量，并且旋转速度更快。这种效应可在年轻恒星上观察到，它们被类似的吸积盘包围着。但是新生恒星旋转速度太慢，由于它们吸收一定的角动量，角动量能够驱动恒星的喷射流，相同的进程也存在于黑洞周围。

　　左图是ALMA望远镜数据显示，环绕中心超大质量黑洞直径700光年的马蹄状区域分子和离子的喷射物；右图是测量黑洞周围20光年直径多普勒频移现象，红色部分显示远离地球的运动，蓝色部分显示朝向地球的运动。

　　但为了证实这一点，天文学家需要测量黑洞失去多少旋转能量，但这是非常困难的。同样地，测量吸积盘物质的“磁通量”数量等级，可以评估出旋转能量的损失，但这也是非常难以测量的。目前，这项最新模型和近期其它更先进的黑洞喷射模型提出了一个“代理”：测量喷射流磁场，然后结合在需要驱动喷射流的旋转动能数量上。
　　喷射流磁场可以被测量，这是因为磁通量是守恒的，通过测量喷射流等级，我们也能探测到黑洞附近的磁通量。目前，这项研究使天文学家将磁场喷射流与黑洞旋转损失联系在一起，并通过实验来验证我们对黑洞及其周围环状结构和喷射流的理解是否正确，或者我们仍需要进一步改进提高。
　　2017年4月视界望远镜（Event Horizon Telescope）用了一周半的时间收集银河系超大质量黑洞，以及椭圆星系M87中大型黑洞的相关数据，不久我们可能不仅首次拍摄到一个超大质量黑洞周围的圆环结构，还能观测到黑洞视界的边缘。作为一名天体物理学家，这将是一个令人激动人心的时刻。（叶倾城）