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對超大質量黑洞吸積盤外圍的首次觀測

黑洞


對超大質量黑洞吸積盤外圍的首次觀測


藝術家對超大質量黑洞的印象，有一個吸積盤圍繞它旋轉 。注釋顯示了一個假設的雙峰輪廓，用箭頭指示每個峰在寬線區域中的起始位置 。鳴謝:NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld
據美國國家科學基金會的NOIRLab（喬西·芬斯克）：沒有什么能喚起一種存在主義的螺旋視角 ， 就像看著一個星系的圖像一樣 。乍一看 ， 這些宏偉的建筑似乎相當寧靜 。但事實上，許多星系的中心是一個動蕩的環境，其中包含一個活躍的超大質量黑洞 。
圍繞這些密度不可思議的物體旋轉的是由氣體和塵埃組成的旋渦吸積盤，它們為黑洞提供了物質，并在整個電磁波譜中釋放出大量的能量——從高能伽馬射線和X射線，到可見光，再到紅外和無線電波 。
研究吸積盤可以增強天文學家對黑洞及其宿主星系演化的了解 。然而 ， 大多數吸積盤都不可能直接成像，因為它們距離極遠，而且尺寸相對較小 。取而代之的是，天文學家使用圓盤內部發出的光譜來描述它的大小和行為 。
通過這種方法，天文學家利用由國家科學基金會NOIRLab運營的國際雙子座天文臺的一半雙子座北方望遠鏡，首次在星系III Zw 002的吸積盤中探測到兩條近紅外發射線，為這些宏偉結構的大小設定了新的限制 。
為了理解這些觀察結果，讓我們首先通過討論什么是發射譜線以及它們告訴我們關于超大質量黑洞周圍區域的什么來奠定一些基礎 。
當處于激發態的原子下降到較低的能級時，就會產生發射譜線 ， 并在這個過程中釋放出光 。由于每個原子都有一套獨特的能級，發出的光有一個離散的波長，就像識別其來源的指紋 。發射譜線通常在光譜中表現為細而尖的尖峰 。
但是在吸積盤的旋渦中，受激氣體受到超大質量黑洞的引力影響，并以每秒數千公里的速度移動，發射線變寬成為較淺的峰值 。這些線起源的吸積盤區域稱為寬線區域 。
如前所述，吸積盤非常難以直接成像，由于視界望遠鏡的高角度分辨率能力，只有兩個來源被成像 。那么，如果不能進入全球射電望遠鏡網絡，天文學家如何知道超大質量黑洞周圍有一個圓盤呢？事實證明，吸積盤的證據可以在一種被稱為雙峰輪廓的寬發射線的特定模式中找到 。
因為圓盤在旋轉，一邊的氣體在遠離觀測者，而另一邊的氣體在向觀測者移動 。這些相對運動分別將發射譜線拉伸和擠壓到更長和更短的波長 。結果是一條加寬的線，有兩個不同的峰，分別來自快速旋轉的圓盤的兩邊 。
這些雙峰輪廓是一種罕見的現象，因為它們的出現僅限于幾乎可以正面觀察到的源 。在已經觀察到的少數光源中 ， 雙峰出現在H-α和H-β線中，這是氫原子在可見光波長范圍內的兩條發射線 。
這些線源自超大質量黑洞附近的寬線區域的內部區域，沒有提供吸積盤整體有多大的證據 。但是最近的近紅外觀測揭示了一個以前從未見過的外部寬線區域 。
Denimara Dias dos Santos是巴西國家空間研究所的博士生，也是該論文的主要作者，他與巴西國家天文實驗室的研究人員阿爾伯托·羅德里格斯-阿迪拉、斯瓦亞姆特魯普塔·潘達和穆里洛·馬里內洛合作，首次明確探測到了III Zw 002寬線區域的兩個近紅外雙峰剖面 。
Paschen-alpha(氫)線發源于寬線區的內區，O I(中性氧)線發源于寬線區的外圍，這是一個以前從未觀測到的區域 。這些是在近紅外波段發現的第一個雙峰輪廓 ， 它們是在雙子座近紅外光譜儀(GNIRS)的觀測中意外出現的 。
2003年對III Zw 002的觀測揭示了吸積盤的證據，2012年的一項研究也發現了類似的結果 。2021年，Rodriguez-Ardila和他的團隊開始使用GNIRS在近紅外進行觀測，以補充這些發現，GNIRS能夠一次性觀測整個近紅外光譜(800-2500納米) 。
其他儀器需要用戶在多個濾波器之間切換以覆蓋相同的范圍，這可能很耗時，并且可能會隨著大氣條件和校準在觀測之間的變化而引入不確定性 。
由于GNIRS能夠同時觀測多個波段的光，因此該團隊能夠捕捉到單一清晰、一致校準的光譜 ， 其中顯示了多個雙峰輪廓 ?！拔覀円郧安恢繧II Zw 002有這種雙峰分布，但當我們減少數據時，我們非常清楚地看到了雙峰，”羅德里格斯-阿迪拉說 ?！笆聦嵣?，我們多次減少數據，認為這可能是一個錯誤，但每次我們都看到同樣令人興奮的結果 ?！?br>這些觀測不僅證實了理論上吸積盤的存在，而且推進了天文學家對寬線區域的理解 。
Rodriguez-Ardila說:“這是第一次，對這種雙峰輪廓的檢測對一個區域的幾何形狀進行了嚴格的限制，否則不可能解決這個問題 。”“我們現在有了一個活躍星系的進食過程和內部結構的明確證據 ?！?br>通過將這些觀察結果與現有的圓盤模型進行比較，該團隊能夠提取參數，為III Zw 002的超大質量黑洞和寬線區域提供更清晰的圖像 。
該模型表明，Paschen-alpha線起源于16.77光天的半徑(從超大質量黑洞測量的光在一個地球日內傳播的距離) ， O I線起源于18.86光天的半徑 。它還預測寬線區域的外半徑為52.43光年 。該模型還表明，III Zw 002的寬線區域相對于地球上的觀測者具有18度的傾角，其中心的超大質量黑洞是我們太陽質量的4億至9億倍 。
“這一發現讓我們對這個特殊星系中寬線區域的結構和行為有了寶貴的見解，揭示了活躍星系中超大質量黑洞周圍發生的迷人現象，”羅德里格斯-阿迪拉說 。
在這一發現之后，Dias dos Santos、Rodriguez-Ardila、Panda和Marinello現在正在監測III Zw 002，因為其吸積盤預計將遵循圍繞超大質量黑洞的進動模式 。他們想看看譜線輪廓是如何隨時間變化的，因為進動會導致藍色和紅色峰值的強度不同 。到目前為止，這個模型仍然與他們的觀察一致 。這些結果也開啟了利用近紅外探測來研究其他活動星系核的可能性 。
這項工作發表在《天體物理學雜志快報》上 。