对超大质量黑洞吸积盘外围的首次观测

往事随风760

艺术家对超大质量黑洞的印象，有一个吸积盘围绕它旋转。注释显示了一个假设的双峰轮廓，用箭头指示每个峰在宽线区域中的起始位置。鸣谢:NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

据美国国家科学基金会的NOIRLab（乔西·芬斯克）：没有什么能唤起一种存在主义的螺旋视角，就像看着一个星系的图像一样。乍一看，这些宏伟的建筑似乎相当宁静。但事实上，许多星系的中心是一个动荡的环境，其中包含一个活跃的超大质量黑洞。

围绕这些密度不可思议的物体旋转的是由气体和尘埃组成的旋涡吸积盘，它们为黑洞提供了物质，并在整个电磁波谱中释放出大量的能量——从高能伽马射线和X射线，到可见光，再到红外和无线电波。

研究吸积盘可以增强天文学家对黑洞及其宿主星系演化的了解。然而，大多数吸积盘都不可能直接成像，因为它们距离极远，而且尺寸相对较小。取而代之的是，天文学家使用圆盘内部发出的光谱来描述它的大小和行为。

通过这种方法，天文学家利用由国家科学基金会NOIRLab运营的国际双子座天文台的一半双子座北方望远镜，首次在星系III Zw 002的吸积盘中探测到两条近红外发射线，为这些宏伟结构的大小设定了新的限制。

为了理解这些观察结果，让我们首先通过讨论什么是发射谱线以及它们告诉我们关于超大质量黑洞周围区域的什么来奠定一些基础。

当处于激发态的原子下降到较低的能级时，就会产生发射谱线，并在这个过程中释放出光。由于每个原子都有一套独特的能级，发出的光有一个离散的波长，就像识别其来源的指纹。发射谱线通常在光谱中表现为细而尖的尖峰。

但是在吸积盘的旋涡中，受激气体受到超大质量黑洞的引力影响，并以每秒数千公里的速度移动，发射线变宽成为较浅的峰值。这些线起源的吸积盘区域称为宽线区域。

如前所述，吸积盘非常难以直接成像，由于视界望远镜的高角度分辨率能力，只有两个来源被成像。那么，如果不能进入全球射电望远镜网络，天文学家如何知道超大质量黑洞周围有一个圆盘呢？事实证明，吸积盘的证据可以在一种被称为双峰轮廓的宽发射线的特定模式中找到。

因为圆盘在旋转，一边的气体在远离观测者，而另一边的气体在向观测者移动。这些相对运动分别将发射谱线拉伸和挤压到更长和更短的波长。结果是一条加宽的线，有两个不同的峰，分别来自快速旋转的圆盘的两边。

这些双峰轮廓是一种罕见的现象，因为它们的出现仅限于几乎可以正面观察到的源。在已经观察到的少数光源中，双峰出现在H-α和H-β线中，这是氢原子在可见光波长范围内的两条发射线。

这些线源自超大质量黑洞附近的宽线区域的内部区域，没有提供吸积盘整体有多大的证据。但是最近的近红外观测揭示了一个以前从未见过的外部宽线区域。

Denimara Dias dos Santos是巴西国家空间研究所的博士生，也是该论文的主要作者，他与巴西国家天文实验室的研究人员阿尔伯托·罗德里格斯-阿迪拉、斯瓦亚姆特鲁普塔·潘达和穆里洛·马里内洛合作，首次明确探测到了III Zw 002宽线区域的两个近红外双峰剖面。

Paschen-alpha(氢)线发源于宽线区的内区，O I(中性氧)线发源于宽线区的外围，这是一个以前从未观测到的区域。这些是在近红外波段发现的第一个双峰轮廓，它们是在双子座近红外光谱仪(GNIRS)的观测中意外出现的。

2003年对III Zw 002的观测揭示了吸积盘的证据，2012年的一项研究也发现了类似的结果。2021年，Rodriguez-Ardila和他的团队开始使用GNIRS在近红外进行观测，以补充这些发现，GNIRS能够一次性观测整个近红外光谱(800-2500纳米)。

其他仪器需要用户在多个滤波器之间切换以覆盖相同的范围，这可能很耗时，并且可能会随着大气条件和校准在观测之间的变化而引入不确定性。

由于GNIRS能够同时观测多个波段的光，因此该团队能够捕捉到单一清晰、一致校准的光谱，其中显示了多个双峰轮廓。“我们以前不知道III Zw 002有这种双峰分布，但当我们减少数据时，我们非常清楚地看到了双峰，”罗德里格斯-阿迪拉说。“事实上，我们多次减少数据，认为这可能是一个错误，但每次我们都看到同样令人兴奋的结果。”

这些观测不仅证实了理论上吸积盘的存在，而且推进了天文学家对宽线区域的理解。

Rodriguez-Ardila说:“这是第一次，对这种双峰轮廓的检测对一个区域的几何形状进行了严格的限制，否则不可能解决这个问题。”“我们现在有了一个活跃星系的进食过程和内部结构的明确证据。”

通过将这些观察结果与现有的圆盘模型进行比较，该团队能够提取参数，为III Zw 002的超大质量黑洞和宽线区域提供更清晰的图像。

该模型表明，Paschen-alpha线起源于16.77光天的半径(从超大质量黑洞测量的光在一个地球日内传播的距离)，O I线起源于18.86光天的半径。它还预测宽线区域的外半径为52.43光年。该模型还表明，III Zw 002的宽线区域相对于地球上的观测者具有18度的倾角，其中心的超大质量黑洞是我们太阳质量的4亿至9亿倍。

“这一发现让我们对这个特殊星系中宽线区域的结构和行为有了宝贵的见解，揭示了活跃星系中超大质量黑洞周围发生的迷人现象，”罗德里格斯-阿迪拉说。

在这一发现之后，Dias dos Santos、Rodriguez-Ardila、Panda和Marinello现在正在监测III Zw 002，因为其吸积盘预计将遵循围绕超大质量黑洞的进动模式。他们想看看谱线轮廓是如何随时间变化的，因为进动会导致蓝色和红色峰值的强度不同。到目前为止，这个模型仍然与他们的观察一致。这些结果也开启了利用近红外探测来研究其他活动星系核的可能性。

这项工作发表在《天体物理学杂志快报》上。