天文学家在亚秒差距尺度上观察超大质量黑洞进食和反馈

December2017

一氧化碳(CO；指示中等密度分子气体的存在)以红色显示；原子碳(C；表示原子气体的存在)；氰化氢(HCN；指示高密度分子气体的存在)；和氢复合线(H36α指示电离气体的存在)。中央致密气体盘(绿色)的大小约为6光年。等离子体流出几乎垂直于圆盘行进。鸣谢:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)、T. Izumi等人。

（）据ALMA：由日本国家天文台助理教授Takuma Izumi领导的国际研究小组通过使用阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)以极高的分辨率(约1光年)观测了Circinus星系的附近活动星系核，取得了里程碑式的成就。

这些观察结果名为“在亚秒差距尺度上观察到的超大质量黑洞进食和反馈”，发表在《科学》杂志上。

这标志着世界上第一次在包括等离子体、原子和分子在内的所有相态气体中，对超大质量黑洞附近的气流及其结构进行了定量测量，精确到几光年的尺度。因此，该团队清楚地捕捉到了朝向超大质量黑洞的吸积流，并揭示了这种吸积流是由一种称为“引力不稳定性”的物理机制产生的。

此外，该团队还发现，这种吸积流的很大一部分没有被用于黑洞的增长。相反，大多数气体以原子或分子外流的形式从黑洞附近排出，并返回气体盘，再次参与朝着黑洞的吸积流:这种气体循环过程类似于喷泉。这些发现代表了对超大质量黑洞生长机制的全面理解的重要进展。

在许多大质量星系的中心，存在着质量超过太阳一百万倍的“超大质量黑洞”。这些超大质量黑洞是如何形成的？先前的研究提出的一个关键增长机制是黑洞上的“气体吸积”。这是指宿主星系中的气体以某种方式向中心黑洞下落的过程。

由于黑洞的引力，聚集在超大质量黑洞附近的气体被高速加速。由于气体粒子之间的强烈摩擦，这种气体被加热到几百万度，并发出明亮的光。这种现象被称为活动星系核(AGN)，其亮度有时可以超过银河系中所有恒星的总和。有趣的是，一部分落向黑洞的气体(吸积流)被认为是被这个活动星系核的巨大能量吹走的，导致了外流。



根据观测结果描绘活动星系核中星际介质分布的插图。高密度分子气体沿着圆盘平面从星系流向黑洞。黑洞周围积累的物质产生了巨大的能量，导致分子气体被破坏，并转化为原子和等离子体相。这些多相气体中的大部分通过从核中流出而被排出(包括主要发生在圆盘上方方向的等离子体流出，以及主要发生在对角线方向的原子或分子流出)，但这些流出的大部分将落回圆盘，就像气体喷泉一样。鸣谢:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)、T. Izumi等人。

理论和观测研究都提供了从100，000光年的星系到中心几百光年的气体吸积机制的详细见解。然而，在一个小得多的区域内的气体吸积，特别是在距离银河系中心几十光年的范围内，由于其空间尺度极其有限，仍然不清楚。

例如，为了定量理解黑洞的增长，有必要测量吸积流率(有多少气体流入)并确定在这一小尺度下作为外流物排出的气体(等离子体、原子气体、分子气体)的数量和类型。不幸的是，这方面的观察理解直到现在还没有显著的进展。

在这项研究中，研究小组首次成功捕捉到了从银河系中心延伸数光年的高密度气体盘中朝向超大质量黑洞的吸积流。由于该区域的小尺度和星系中心附近气体的复杂运动，识别这种吸积流长期以来一直是一项具有挑战性的任务。

然而，在这种情况下，研究小组确定了前景分子气体吸收背景明亮活动星系核光线的位置。这一鉴定是通过ALMA的高分辨率观测实现的。详细的分析显示，这种吸收材料正朝着远离我们的方向移动。由于吸收物质总是存在于活动星系核和我们之间，这表明该团队已经成功捕捉到了朝向活动星系核的吸积流。

此外，研究小组还阐明了导致这种气体积聚的物理机制。观测到的气体盘本身表现出的引力如此之大，以至于它不能被气体盘运动计算出的压力所维持。

当这种情况出现时，气体盘在自身重量的作用下坍塌，形成复杂的结构，变得无法在银河系中心保持稳定的运动。结果，气体迅速落向中央黑洞。现在ALMA已经清楚地揭示了这种被称为星系中心“引力不稳定性”的物理现象。

此外，这项研究大大推进了对活动星系核周围气体流动的定量理解。从观测到的气体密度和吸积流的速度，可以计算出气体供给黑洞的吸积率。令人惊讶的是，这个速率被发现比维持这个活跃星系核活动实际所需的速率大30倍。

换句话说，银河系中心周围1光年尺度的大部分吸积流对黑洞的成长没有贡献。那么，这些多余的气体去了哪里？这个谜团也在这项研究中被揭开——对所有相态气体(中密度分子、原子和等离子体；对应于上面第一张图中的红色、蓝色和粉色区域), ALMA探测到了活动星系核的外流。

通过定量分析，揭示了流向黑洞的大部分气体以原子或分子外流的形式排出。然而，由于它们的速度很慢，它们无法逃离黑洞的引力势，最终回到了气体盘。在那里，它们被回收到朝向黑洞的吸积流中，类似于喷泉，从而在银河系中心完成了一个迷人的气体回收过程(第二张图片)。

关于这项研究的成果，Izumi表示，“在活跃增长的超大质量黑洞周围几光年的区域内检测吸积流和外流，特别是在多相气体中，甚至破译吸积机制本身，确实是超大质量黑洞研究历史上的不朽成就。”

展望未来，他继续说道，“为了全面了解宇宙历史上超大质量黑洞的增长，我们需要研究距离我们更远的各种类型的超大质量黑洞。这需要高分辨率和高灵敏度的观测，我们对ALMA的进一步使用以及下一代即将到来的大型无线电干涉仪抱有很高的期望。”